Enfant de la balle née à Los Angeles, Mia Farrow est la fille de l'actrice Maureen O'Sullivan et du réalisateur John Farrow.

Elle quitte la Californie pour des études à Londres, et débute sur scène dans « L'Importance d'être constant » d'Oscar Wilde en 1963.

Elle enchaîne la série PEYTON PLACE (1964) et LES CANONS DE BATASI de John Guillermin (1964).

Après MALDONNE POUR UN ESPION d'Anthony Mann (1968), elle éclate dans le traumatisant ROSEMARY'S BABY de Roman Polanski (1968), avec son visage diaphane, et porte les tortueux CÉRÉMONIE SECRÈTE de Joseph Losey (1968), TERREUR AVEUGLE de Richard Fleischer (1971) et LE CERCLE INFERNAL de Richard Loncraine (1977).

Amoureuse dans JOHN ET MARY de Peter Yates (1969) et GATSBY LE MAGNIFIQUE de Jack Clayton (1974), elle s'amuse dans SENTIMENTALEMENT VOTRE de Carol Reed (1972) et DOCTEUR POPAUL de Claude Chabrol (1972).

Elle s'aventure dans UN MARIAGE de Robert Altman (1978), MORT SUR LE NIL de Guillermin (1978), THE HURRICANE de Jan Troell (1978) et AVALANCHE de Corey Allen (1978).

Arrive Woody Allen avec COMÉDIE ÉROTIQUE D'UNE NUIT D'ÉTÉ (1982), qui trouve en elle sa nouvelle muse et lui offre 13 perles dont ZELIG (1983), BROADWAY DANNY ROSE (1984), LA ROSE POURPRE DU CAIRE (1985), HANNAH ET SES SŒURS (1986), RADIO DAYS (1987), SEPTEMBER (1988), UNE AUTRE FEMME (1988), CRIMES ET DÉLITS (1990), ALICE (1990) et MARIS ET FEMMES (1992).

Après Allen, elle brille dans PARFUM DE SCANDALE de John Irvin (1993), MIAMI RHAPSODY de David Frankel (1995) ou RECKLESS de Norman Rene (1995).

Active à la télévision (MIRACLE AT MIDNIGHT, Ken Cameron, 1998, LA VIE SECRETE DE ZOE, Robert Mandel, 2002, NEW YORK 911, 2000-2003), elle remonte sur scène en 2005 pour « Fran's Bed » de James Lapine.

Elle revient en force au cinéma avec l'horrifique 666 LA MALÉDICTION de John Moore (2005, photo), le drolatique SOYEZ SYMPAS, REMBOBINEZ de Michel Gondry (2008), le décapant DARK HORSE de Todd Solondz (2011) et la trilogie pour bambins ARTHUR de Luc Besson (2006-2010), où elle incarne la grand-mère du héros en culottes courtes.

Mariée à Frank Sinatra puis au musicien André Previn, elle éduque quatorze enfants, dont dix adoptés.