Em 14 de maio de 2012, foi confirmado que Demi seria jurada na segunda temporada da versão norte-americana do reality show The X Factor, ao lado de Simon Cowell, L.A. Reid e Britney Spears. Foi considerado que ela poderia, então com dezenove anos, ser nova demais para o papel. Sobre isso, Cowell comentou que "Demi teve uma ótima carreira na música, em filmes e televisão para alguém da idade dela. Ela é jovem, confiante e entusiasmada. Acho importante que fale para nosso público mais jovem". O programa estreou em 12 de setembro de 2012, na Fox, com uma audiência de 8,73 milhões. Lovato ficou responsável pela categoria de jovens adultos, entre 17 e 24 anos. Em março de 2013, a Fox anunciou que Demi retornaria na terceira temporada do programa.
Demi começou a trabalhar no sucessor de Unbroken no segundo semestre de 2012; as gravações iniciaram em setembro. Em entrevistas aoPopsugar e à Nylon Magazine, em outubro de 2012, ela comentou que tinha apenas algumas faixas gravadas, mas adiantou que o álbum "ainda seria pop", porém "menos dance-pop" que o anterior, pois acredita que esse subgênero "não expressa quem é musicalmente" e deseja usar mais "instrumentos reais". À Teen Vogue, disse que pretendia lançar algo que as pessoas "pudessem ouvir por um tempo, não apenas uma tendência", citando o dubstep, e que sua intenção é "criar uma música cativante, mas que também tenha emoção". Emanuel Kiriakou, que co-escreveu e produziu a faixa "Fix a Heart", informou que está trabalhando com Lovato no projeto. Em 12 de fevereiro de 2013, a artista confirmou que o primeiro single se chamaria "Heart Attack" e seria lançado no dia quatro do mês seguinte; um vídeo teaser e a arte da capa foram liberados naquele mesmo dia. Após o vazamento da faixa na internet, o lançamento foi adiantado para 25 de fevereiro. No primeiro dia de abril, a cantora anunciou que o disco se chamaria Demi e seria lançado em 14 de maio de 2013. O segundo singledo mesmo, "Made in the USA", foi lançado em 16 de julho.
Uma faixa da cantora, chamada "Heart by Heart", faz parte da trilha sonora do filme The Mortal Instruments: City of Bones - estrelado por Lily Collins eJamie Campbell Bower - lançada em 20 de agosto de 2013. Na mesma ocasião, foi divulgado que Lovato participaria de pelo menos seis episódios na quinta temporada da série Glee. Ela interpretou Dani, uma artista que mora em Nova Iorque, contracenando com Lea Michele, Naya Rivera e Adam Lambert. Em 9 de setembro de 2013, Lovato anunciou que estava a escrever um livro, intituladoStaying Strong: 365 Days a Year, cujo lançamento ocorreu em 19 de novembro. No final de setembro, estreou na terceira temporada de The X Factor, como mentora da categoria Girls.
Em 29 de setembro de 2013, Lovato anunciou a The Neon Lights Tour, a fim de divulgar Demi, inicialmente a percorrer toda a América do Norte. A turnê iniciou-se em Vancouver, em 9 de fevereiro de 2014. Em 14 de outubro de 2013, foi anunciada a passagem pela América do Sul, incluindo o Brasil, entre abril e maio de 2014, cujas vendas de ingressos tiveram início em 20 de novembro de 2013. Em 21 de outubro de 2013, Lovato lançou a música "Let It Go", originalmente cantada por Idina Menzel, para o filme Frozen, da Disney, que estreou nos cinemas americanos em 27 de novembro. O videoclipe oficial foi lançado em 1º de novembro. O terceiro single de Demi, "Neon Lights", foi lançado em 19 de novembro de 2013, mesmo dia do lançamento de seu livro, Staying Strong - 365 days of year.
