Su debut en el cine fue en un cortometraje de 1947 junto a su madre; este trataba sobre madres famosas y sus hijos. En la década de 1950, apareció en el documental educativo sobre la Guerra Fría: Duck and Cover
Farrow ha aparecido en más de cuarenta películas y ha ganado numerosos premios, incluyendo el Globo de Oro (y siete nominaciones a tal premio), tres nominaciones a los Premios BAFTA, y ganó el premio a mejor actriz en el Festival Internacional de Cine de San Sebastián. Farrow también ha destacado por su trabajo humanitario como Embajadora de la UNICEF. Su último esfuerzo ha sido en www.miafarrow.org que contiene una guía explicando cómo involucrarse con el activismo de Darfur, junto a sus fotos y publicaciones en un blog desde Darfur, Chad, y la República Africana Central.
En su vida personal se casó con Frank Sinatra el 19 de julio de 1966 y se divorciaron en 1968.
Después se casó con André Previn en 1970. Tuvieron tres hijos (Matthew, Sascha y Fletcher) y adoptaron otros tres, Soon Yi, Lark Song y Daisy. Se divorciaron en 1979.
Vivió con Woody Allen aunque no se llegaron a casar. Con él tuvo un hijo, Satchel (nacido en 1987). También adoptaron dos hijos. Farrow y Allen se separaron luego de que Farrow descubriera que su hija adoptiva de un matrimonio anterior, Soon-Yi, mantenía relaciones sexuales con Allen. Esto derivó en una batalla legal por la custodia de los tres hijos de la pareja, en la cual Farrow acusó a Allen de presuntamente haber abusado sexualmente a su otra hija adoptiva, Dylan, que en aquel entonces tenía siete años de edad. Allen negó rotundamente los cargos en su contra, y un médico encargado de realizar una evaluación del testimonio de Dylan, concluyó que "o bien Dylan inventó la historia debido al estrés al que se vio sometida por estar viviendo en un hogar volátil y no sano, o bien la historia había sido plantada en su cabeza por Farrow, debido a que la niña presentaba la historia de forma inconsistente." Los cargos fueron retirados, pero, al final, Farrow ganó la custodia de los hijos.
Farrow es embajadora de buena voluntad de UNICEF.
