Родилась 9 февраля 1945 года в Лос Анжелесе, штат Калифорния, США, в семье актрисы Морин О'Салливан и режиссера Джона Вильерса Фэрроу.

Закончив учебу в католическом пансионате в Англии, вернулась на родину и стала играть на бродвейской сцене вместе с матерью, прославившейся когда-то в роли подружки Тарзана.

Впервые снялась в кино в фильме отца Дж.Фэрроу "Джон Пол Джонс" ("John Paul Jones", 1959).

Окончила курсы драматического искусства в Лос Анжелесе.

Юная актриса Фэрроу оказалась в центре внимания, стоя в 1966 под венцом с великим Фрэнком Синатрой. Их брак распался в 1968, тогда же вышел первый значительный фильм с ее участием «Ребенок Розмари», мистическая история о рождении сына Сатаны.

В 1970 году Фэрроу вышла замуж за дирижера Андре Превина, родила двойню и переехала вслед за мужем в Лондон. Вскоре чета Превин усыновила четверых вьетнамских детей.

В 1972 году актриса поступила в Королевскую шекспировскую компанию, с успехом исполнив роли в пьесах Чехова, Горького, Шекспира.

Не прерывались и ее связи с американским кино. В период с 1971 по 1978 гг. она снялась в семи фильмах. Картиной, всколыхнувшей интерес к Фэрроу, стала экранизация знаменитого романа С. Фицджеральда «Великий Гэтсби». Годы счастливого замужества и материнства гармонизировали прежде диспластичный облик актрисы. Она прекрасно вписалась в фильм, исполненный тоски по недостижимому, ускользающему идеалу.

Режиссер Вуди Аллен сумел разглядеть в актрисе комедийный талант и использовать его в своем искусстве. Этот творческий и личный союз оборвался скандальным разрывом в 1992 году.

В последнее десятилетие Фэрроу редко появлялась на большом экране. Однако, в 2006 году её можно было увидеть в успешном ремейке знаменитого мистического фильма ужасов «Омен». Кроме того, в конце 2006 года вышла сказка Люка Бессона «Артур и Минипуты», где Миа Фэрроу также играет одну из главных ролей.

У актрисы очень большая семья: она усыновила и удочерила десять детей.

Известна своей общественной деятельностью.