Mia Farrow est la fille du réalisateur John Farrow et de l'actrice Maureen O'Sullivan, et son parrain n'est autre que le cinéaste George Cukor. Autant dire qu'elle a toujours évolué dans le milieu. D'ailleurs, dès on plus jeune âge, elle se lia d'amitié avec une autre future star, Liza Minnelli. Cette amitié dure encore de nos jours.
Elle fait ses débuts au cinéma en 1959, dans John Paul Jones, maître des mers, réalisé par son père, avant de connaître la consécration grâce à Roman Polanski en 1969, avec Rosemary's Baby. Sa carrière connaît alors une accélération fracassante, avec en 1970 trois citations aux B.A.F.T.A., et nombre de rôles de qualités.
En 1980 elle fait la rencontre de Woody Allen, avec qui elle aura une liaison pendant 12 ans, et qui enfantera de 13 films (Comédie érotique d'une nuit d'été, en 1982; Zelig, en 1983; Broadway Danny Rose, en 1984; La rose pourpre du Caire, en 1985; Hannah et ses soeurs, en 1986; Radio Days en 1987, September, en 1987; Une autre femme en 1988; crimes et délits en 1989; New York Stories, en 1989; Alice en 1990; Ombres et brouillard, en 1991, Maris et femmes, en 1992). Cette collaboration quasi exclusive (Mia Farrow ne tournera qu'une fois avec un autre réalisateur, Jeannot Szwarc, durant cette période) se finira dans les larmes, lorsque l'actrice découvre que son compagnon a une liaison avec sa propre fille adoptive, Soon-Yi Previn. Le cinéaste épousera d'ailleurs la jeune fille peu de temps après.
Les années 90 sont une période moins faste pour Mai Farrow, qui ralentit sa production cinématographique durant cette décennie. Elle revient avec le nouveau millénaire dans quelques productions, comme 666, la malédiction, ainsi que dans Arthur et les Minimoys et ses suites.
 
Mia Farrow se maria deux fois. La première à Frank Sinatra, de 1966 à 1968, et la seconde à André Previn, de 1970 à 1979. Avec ce dernier, elle eut 6 enfants, dont trois adoptés. A ceci s'ajoutent 1 enfant qu'elle a eu avec Woody Allen, 2 qu'elle a adopté avec le cinéaste, et 6, là aussi adoptés, mais cette fois-ci sous le régime de la mère célibataire. Ce qui monte le total à 15 enfants. Une belle famille pour celle qui devint célèbre pour un rôle de mère.
 
Elle fut aussi la première actrice américaine à avoir été acceptée à la Royal Shakespeare Company.