Narodila se jako třetí dítě australskému režisérovi Johnu Villiers Farrowovi a irské herečce Maureen O´Sullivan. Mia Farrow, rozená Maria de Lourdes Villiers Farrow, měla pět sourozenců. Její sestra Michael Farrow v devatenácti letech zemřela při letecké katastrofě.
Již ve dvou letech si Mia Farrow zahrála ve svém filmovém debutu, v dokumentu Neobvyklé povolání: Dětská fimová dovolená. Byla vychovávána jako římsko-katolička, třináct let prožila pod přísnou rukou jeptišek.
Do povědomí diváků se Mia Farroww dostala rolí Allison MacKenzie v televizní soap opeře Peyton Place a proslavila se také krátkodobým manželstvím s Frankem Sinatrou. V letech 1970 až 1979 byla provdaná za klavírisku Andrého Previna.
Za postavu ve filmu Rosemary má děťátko byla Mia Farrow nominovaná na cenu BAFTA a na Zlatý glóbus. Na ten měla nakročeneno ještě za několik dalších snímků. Jmenujme např. John a Mary, Alice nebo Nikdy na mne nezapomeňte.
Zlatý glóbus Mia Farrow dostala coby Nová hvězda roku 1965.
Stala se i seriálovou hvězdou. Mia Farrowt si zahrála třeba v seriálu společnosti Netflix The Watcher (Vidím vás), v němž ztvárnil jednu z hlavních rolí.
V letech 1980 až 1992 měla Mia Farrow vztah s režisérem Woodym Allenem a zahrála si v řadě jeho filmů. V jednom z nich se před kamerou potkala se svou dcerou Soon-YiPrevien, kterou si později Woody Allen vzal za manželku.
Herečka, modelka a aktivistka Mia Farrow byla také známá díky své práci pro UNICEF a v humanitárních aktivitách pro Darfur, Chad a Centrální Africkou Republiku. V roce 2008 ji magazín Time vyhlásil nejvlivnějším člověkem světa.