De son vrai nom Maria de Lourdes Villiers-Farrow.
Avec un père réalisateur ( John Farrow) et une mère qui a été la Jane de Johnny Weissmuller, Mia Farrow se tourne tout naturellement vers le métier d'actrice. Elle débute sur les planches en 1963 dans la pièce d'Oscar Wilde, L'importance d'être constant. Mais c'est en 1968 que sa carrière débute véritablement avec un premier rôle dans Rosemary's Baby de Roman Polanski. La jeune femme qui partage alors la vie de Frank Sinatra séduit les réalisateurs, pour l'étonnante fragilité qu'elle dégage. Joseph Losey la dirige pour Cérémonie secrète, Peter Yates pour John et Mary ou Richard Fleischer pour Terreur Aveugle.

La comédienne n'en reste pas là et enchaîne les prestations au cours des années 1970. Elle s'exile un temps en France pour tourner Docteur Popaul de Claude Chabrol, partage l'affiche avec Robert Redford dans une nouvelle adaptation de Gatsby le magnifique et nous invite à Un Mariage de Robert Altman.

En 1982, elle fait la rencontre de Woody Allen sur les plateaux de Comédie érotique d'une nuit d'été pour un coup de foudre tant professionnel que personnel. Commence alors une collaboration quasi exclusive entre les deux artistes avec pas moins de treize films dont La Rose pourpre du Caire (1984), Hannah et ses soeurs (1986) ou Alice (1990). Maris et femmes (1992) annonce la fin du couple si médiatique.

Mia Farrow connaît alors une période plus difficile et les propositions se font plus rares. Elle met donc à profit cette accalmie pour s'occuper de ses quatorze enfants. Elle apparaît toutefois au générique d'un Parfum de scandale de John Irvin (1994) ou encore de Miami Rhapsody (1995) de David Frankel. L'année suivante, elle obtient un rôle récurrent dans la série New York 911 et rempile pour deux saisons supplémentaires. 38 ans après Rosemary's baby, elle revient au fantastique avec 666 la malédiction, puis incarne la grand-mère de Freddie Highmore dans le film Arthur et les Minimoys.

En 2008, elle est à l'affiche de Be kind Rewind du réalisateur français Michel Gondry.

L'actrice retrouve Freddie Highmore et toute l'équipe des Minimoys, pour une seconde aventure animée avec Arthur et la vengeance de Maltazard.