Mia Farrow 1945. február 9-én született Los Angelesben, az Amerikai Egyesült Államokban. Édesapja, John Farrow ausztrál filmrendező, édesanyja, Maureen O'Sullivan ír színésznő. A kaliforniai Beverly Hillsben nőtt fel nagycsaládban. Mindössze kétéves volt, amikor először szerepelt egy dokumentumfilmben. Katolikus neveltetést kapott, apja munkája miatt a család több országban is élt. Tizenhét éves volt, amikor édesapját elveszítette.

Színészi karrierje a hatvanas évek elején indult. 1964 és 1968 között a Peyton Place című tévésorozatban szerepelt. A nemzetközi áttörést a Rosemary gyermeke hozta meg számára 1968-ban, a film ajtókat nyitott meg előtte. Ugyanebben az évben Elizabeth Taylor mellett ő volt a főszereplője a Titokzatos szertartásnak is. Egy évvel később Dustin Hoffman partnere volt a John és Mary című filmben. 1974-ben A nagy Gatsby-ben alakította a Robert Redford által megszemélyesített Jay Gatsby szerelmét, Daisy Buchanant. 1978-ban főszereplője volt a Lavina és az Agatha Christie: Halál a Níluson című filmnek.

Fontosabb filmjei közé tartozik a Szentivánéji szexkomédia, Broadway Danny Rose, Kairó bíbor rózsája, Hannah és nővérei, A rádió aranykora, Bűnök és vétkek, Árnyak és köd, Férjek és feleségek, Miami rapszódia.

1966-ban feleségül ment a nála jóval idősebb Frank Sinatrához, akitől két évvel később elvált. 1970-ben André Previn zongorista-zeneszerző felesége lett. Házasságukból három gyermekük született, további hármat adoptáltak. Válásukat 1979 januárjában mondták ki. Ugyanebben az évben jött össze Woody Allen filmrendezővel. Kapcsolatok azután romlott meg, hogy kiderült, Allen viszonyt kezdett örökbefogadott lányával. A színésznő 2000-től a UNICEF jószolgálati nagykövete, számos jótékonysági és segélyezési akcióban vesz részt, főleg Afrikában.