Kot igralka je Mia Farrow nase opozorila z vlogo Allison MacKenzie v televizijski nadaljevanki Mestece Peyton, ki je gledalce, tudi slovenske, navduševala konec 60. let. Na velikem platnu je bila opažena v filmu Romana Polanskega iz leta 1968 Rosemaryjin otrok, saj ji je vloga Rosemary prinesla tako nominacijo za zlati globus kot za britansko bafto.
V tem času je bila za krajši čas poročena s Frankom Sinatro, ki pa jo je zapustil ravno v obdobju snemanja Rosemaryjinega otroka. Skupaj je zaigrala v kakšnih 50 filmih, med katerimi ji je največ priznanja prineslo sodelovanje z Woodyjem Allenom.
Nastopila je v številnih njegovih filmih, najprej v romantični komediji Seksi komedija kresne noči iz leta 1982. Po tem je Allen več vlog napisal prav zanjo, med drugim za filme Škrlatna roža Kaira, Hannah in njeni sestri ter Možje in žene.
Trikrat je bila nominirana za bafto in še večkrat za zlati globus, a je ameriško filmsko nagrado prejela le kot najbolj obetavna debitantka za vlogo v filmu Puške Batasija iz leta 1965. Precej več pozornosti medijev je pritegovala s svojim zasebnim življenjem, tudi z bitko proti Allenu, ki naj bi spolno nadlegoval eno od posvojenih hčera.
Opozorilo: 297. členu Kazenskega zakonika je posameznik kazensko odgovoren za javno spodbujanje sovraštva, nasilja ali nestrpnosti.