Nata a Los Angeles, Mia Farrow è figlia del regista John Farrow e dell’attrice Maureen O’ Sullivan. Ha debuttato in teatro nel 1963, poco dopo la morte di suo padre, in una produzione off-Broadway di L’importanza di chiamarsi Ernesto, cui ha fatto seguito la sua prima apparizione sul grande schermo, l’anno dopo. La sua carriera è decollata con la soap opera Peyton Place, in cui ha recitato per due anni, ma la vera consacrazione è avvenuta nel 1968, grazie al film di Roman Polanski Rosemary’s Baby, in cui compariva accanto al regista indipendente John Cassavetes, e per il quale ha ottenuto critiche entusiastiche. In seguito, ha potuto dimostrare il suo talento alla tv, in teatro, e in film memorabili come Il grandeGatsby (1974) e Assassinio sul Nilo (1978).
Nel 1982 è diventata la musa di Woody Allen, dopo aver interpretato il film Una commedia sexy in una notte di mezz’estate. In seguito, Allen ha scritto molti altri ruoli per lei, in film come Hannah e le sue sorelle (1986), Crimini e misfatti (1989), Mariti e mogli (1992), Ombre e nebbia (1992), e Alice (1990), che le è valso un NBR* Award come Migliore Attrice Protagonista (*National Board of Review of Motion Pictures). Nel 1997, ha pubblicato la sua autobiografia, “Quel che si perde”, divenuto subito un best-seller. In teatro, la Farrow ha interpretato la commedia di James Lapine Fran’s Bed al Long Wharf Theater di New Haven, e The Exonerated di Jessica Blake e Eric Jensen. Nel 2006, ha interpretato The Omen con Liev Schreiber e Julia Stiles, e ha da poco finito di girare il film di Michel Gondry Be Kind Rewind. Nel 2007 è apparsa nel film di Luc Besson Arthur e il popolo dei Minimei e nel film indipendente Fast Track diretto da Jesse Peretz.