Demiral speelde in de jeugd bij Fenerbahçe. In 2016 trok hij naar AC Alcanenense. In 2017 tekende de verdediger bij Sporting Lissabon. Die club verhuurde hem vanaf augustus 2018 aan Alanyaspor. In januari 2019 betaalde die club 3,5 miljoen euro voor de Turks international. In januari 2019 werd Demiral voor een halfjaar verhuurd aan US Sassuolo. De Italiaanse club betaalde ruim negen miljoen euro om hem op 1 juli 2019 definitief over te nemen, om hem vier dagen later voor het dubbele te verkopen aan Juventus.
Bij Juventus was hij in seizoen 2019/20 een concurrent van Matthijs de Ligt. De Ligt kreeg de voorkeur, maar hij raakte geblesseerd en van medio december tot medio januari stond Demiral in de basis. Op 12 januari scheurde Demiral zijn voorste kruisbanden af en de rest van het seizoen was hij niet meer inzetbaar.
In 2021 werd hij verhuurd aan Atalanta Bergamo, dat hem na zijn huurperiode overnam voor 20 miljoen euro.[2] In de zomer van 2023 kocht het Al-Ahli hem over voor 20 miljoen euro en kende hem een salaris toe van 11 miljoen euro per jaar.[3]
Demiral debuteerde op 20 november 2018 in het Turks voetbalelftal, in een oefeninterland tegen Oekraïne (0–0). Hij viel die dag in de 85e minuut in voor Mert Müldür. Demirals eerste basisplaats in de nationale ploeg volgde op 22 maart 2019, in een met 0–2 gewonnen kwalificatiewedstrijd voor het EK 2020 in en tegen Albanië. Hij maakte deel uit van de Turkse selectie voor het Europees kampioenschap voetbal 2020. In de openingsmatch van het EK stond Demiral in de basis van het Turks elftal. Met een eigen doelpunt was Demiral verantwoordelijk voor het openingsdoelpunt van het EK.