Fiica cea mai mare a regizorului australian John Farrow și a actriței irlandeze Maureen O'Sullivan, Farrow a avut o educație catolică strictă în Beverly Hills, California. După ce a lucrat ca model de modă în adolescență, a câștigat prima dată atenția pentru rolul său ca Allison MacKenzie în telenovela de televiziune Peyton Place (1964–1966). Debutul său în filmele de lungmetraj, în Guns at Batasi (1964), i-a adus un premiu Golden Globe pentru Noua Stea a Anului, iar ulterior a câștigat recunoaștere suplimentară pentru căsătoria sa de doi ani cu Frank Sinatra, pe care l-a căsătorit la vârsta de 21 de ani. Interpretarea sa a lui Rosemary Woodhouse în filmul de groază Rosemary's Baby (1968) i-a adus o nominalizare la premiul BAFTA și un premiu Golden Globe pentru Cea mai bună actriță. A primit o a treia nominalizare la Golden Globe pentru rolul din John and Mary (1969).
În 1971, Farrow a devenit prima actriță americană din istorie care s-a alăturat Royal Shakespeare Company, apărând ca Ioana d'Arc într-o producție a Jeanne d'Arc au bûcher. Aceasta a fost urmată de producții de teatru precum Mary Rose (1972), Trei surori (1973) și Ivanov (1976). Farrow a jucat, de asemenea, în mai multe filme pe parcursul anilor '70, inclusiv adaptarea din 1974 a romanului The Great Gatsby și comedia lui Robert Altman, A Wedding (1978).
Farrow a început o relație cu cineastul Woody Allen în 1979 și, pe parcursul unei perioade de peste un deceniu, a jucat în 13 dintre filmele sale, începând cu