Fille de Maureen O'Sullivan (la compagne de Tarzan) et du réalisateur John Farrow. Elle fut mariée à Sinatra entre 1966 et 1968 et vécu avec Woody Allen (histoire qui se termina dans le sordide).
Mia Farrow, de son vrai nom Maria de Lourdes Villiers Farrow, débute sur grand écran en 1959 dans un film de son père John, puis multiplie les petits rôles. En 1964, sa prestation dans la série Peyton Place lui apporte un début de notoriété. C'est en 1968, avec le rôle-titre du Rosemary's Baby de Roman Polanski, qu'elle se révèle au grand public. La carrière de la comédienne, alors mariée à Frank Sinatra, connaît une accélération fulgurante : elle enchaîne des prestations pour Anthony Mann (Maldonne pour un espion, 1968) et Richard Fleischer (Terreur aveugle, 1971) et partage l'affiche aux côtés d'Elizabeth Taylor (Cérémonie secrète, id.) et Dustin Hoffman (John et Mary, 1969).
Mia Farrow confirme son fracassant début de carrière dans les années 70. Elle joue pour Claude Chabrol dans la comédie Docteur Popaul (1972), est Daisy Buchanan dans Gatsby le magnifique (1974) aux côtés de Robert Redford, se voit dirigée par Robert Altman pour Un mariage (1978) ou se retrouve au générique d'une adaptation d'Agatha Christie avec Mort sur le Nil (id.).
La rencontre de Mia Farrow avec Woody Allen, dont elle partagera la vie plus de dix ans, marque un tournant dans sa carrière. Elle devient la muse du cinéaste new-yorkais, jouant dans treize de ses films et mettant un terme à toute autre collaboration (entre 1982 et 1992, un seul de ses films n'est pas réalisé par Allen, Supergirl de Jeannot Szwarc (1984). De La Rose pourpre du Caire (1984) à Hannah et ses soeurs (1986), en passant par New York stories (1989) et Alice (1990), leur relation est jalonée de quelques-uns des plus grands succès de l'auteur.
Mère de 14 enfants (dont 9 adoptés), Mia Farrow se fait plus discrète dans les années 90, apparaissant notamment aux génériques de Parfum de scandale (1994) et Miami Rhapsody (1995). Se consacrant de plus en plus à la télévision, l'Américaine revient sur grand écran en 2006, dans le film fantastique 666 la malédiction, remake de La Malédiction, puis dans Arthur et les minimoys, film mêlant animation et prises de vues réelles réalisé par Luc Besson, dans lequel elle interprète la grand-mère du petit héros. Elle tournera d'ailleurs dans les deux suites du film (Arthur et la vengeance de Maltazard en 2009 et Arthur 3 La Guerre des Deux Mondes en 2010) mais aussi chez un autre cinéaste français, Soyez sympas, rembobinez de Michel Gondry. De plus en plus rare au cinéma, elle est ambassadrice de l'Unicef et s'engage avec ardeur dans les causes humanitaires, principalement dans les régions les plus démunies en Afrique.
