Rodila se je 9. februarja 1945 v Los Angelesu, svet filma pa je srečala že doma. Njena mama, Maureen O'Sullivan, je najbolj poznana po vlogi Jane v nizu filmov o Tarzanu.
Mia Farrow je tako pred filmske kamere stopila že zgodaj. Igralski karieri se je resno predala leta 1963 z gledališkim debijem v off-broadwajski produkciji Pomembno se je imenovati Ernest po besedilu Oscarja Wilda, prvič pa je opozorila nase leto pozneje z nastopom v televizijski nanizanki Mestece Peyton. Serijo je zapustila po dveh letih, saj si je želela sodelovati pri filmih.
V primežu hudiča
V prvem ameriškem filmu Romana Polanskega Rosemaryjin otrok (1968) je odigrala prvo veliko filmsko vlogo, mlado in naivno žensko, ki se znajde sredi satanistične sekte in katere mož z njimi sklene dogovor, da jo lahko oplodi hudič. Prav med snemanjem tega filma je prejela ločitvene papirje svojega prvega moža, Franka Sinatre, ki ga je srečala pri svojih 19 letih, medtem ko jih je on štel že 48.
Plodno in provokativno obdobje z Woodyjem Allenom
Naslednjo veliko vlogo je odigrala kot Daisy Buchanan v Velikem Gatsbyju (1974) Jacka Claytona ob Robertu Redfordu kot Jayu Gatsbyju. Nastopala je tudi v gledališču, popolnoma nov zagon v karieri pa je doživela, ko je spoznala Woodyja Allena. Po njunem filmu Seksi komedija kresne noči (A Midsummer Night's Sex Comedy) iz leta 1982, v katerem se na zabavi za konec tedna v poletni hiški srečajo in pomešajo trije pari, je Allen za Mio Farrow napisal številne druge vloge, med najbolj izpostavljenimi so bili filmi Hannah in njeni sestri (1986), Škrlatna koža Kaira (1985) ter Možje in žene (1992). Skupaj sta ustvarila 13 filmov, prav toliko let pa sta bila tudi partnerja.
Škandalozno zasebno življenje partnerstev in posvojitev
V svoji igralski karieri je posnela več kot 40 filmov, a je pozornost javnosti pogosteje pritegnila s svojim zasebnim življenjem kot delom. S Sinatro se je poročila mlada, kmalu po ločitvi se je poročila s skladateljem in dirigentom Andréjem Previnom in se po devetih letih tudi ločila, a je kmalu sledilo srečanje z Woddyjem Allenom. Z njim se je razšla ob škandalu leta 1992, ko je izvedela, da je Allen v seksualnem odnosu z njuno posvojenko, s katero se je pozneje tudi poročil. Skupno ima Mia Farrow 15 otrok (dva sta že umrla), od tega štiri biološke.
Prejela je številne nagrade, tudi veliko nominacij, a pri najbolj popularnih so jo pogosto spregledali. Globus je dobila le pri svojih 20 za obetajočo mlado igralko, za oskarja pa ni bila nikoli niti nominirana. Kljub temu se je zapisala v spomin gledalcev s prepričljivimi upodobitvami pogosto ranljivih, občutljivih in inteligentnih žensk.
Ambasadorka Unicefa
Svoje delo na filmu in televiziji ter gledaliških deskah off-broadwaya nadaljuje tudi v 21. stoletju, še toliko bolj pa se posveča človekoljubni dejavnosti kot aktivistka, borka za človekove pravice in ambasadorka Unicefa.