Faye Dunaway naît le 14 janvier 1941 à Bascom (situé en Floride aux États-Unis) d'une mère au foyer, Grace Smith (née en avril 1922, décédée en 1958), et d'un père officier de l'armée, John MacDowell Dunaway, Jr (né le 9 août 1920, décédé le 6 juin 1984).
Elle passe son enfance en voyageant à travers les États-Unis et l'Europe. Les disputes fréquentes entre ses parents débouchent sur la séparation. La petite Dunaway, alors à peine âgée de dix ans, se sent responsable de la situation. Elle n'a alors qu'un objectif : « Être la meilleure quoiqu'il arrive. » Elle suit des cours de danse, de claquettes, de piano et de chant puis étudie à l'Université de Boston, l'Université de l'État de Floride et l'Université de Floride où elle ressort avec un diplôme. En 1962, à l'âge de 21 ans, elle suit des cours de théâtre à l'American National Theater and Academy. Repérée par Llyod Richards dans l'adaptation des Sorcières de Salem, elle est recommandée à Elia Kazan, en quête de jeunes talents pour le Lincoln Center Repertory Company qui vient d'être créé. Sa vie privée est alors instable : elle est dépressive. Pour se débarrasser de ce conflit latent, elle consulte différents psychanalystes. Kazan le ressent bien : « Il y a quelque chose chez Faye qui rappelle Jeanne Moreau. Elle est toujours en train de se précipiter quelque part, et il semble émaner d'elle une impression de drame permanent. » Elle multiplie les compositions à succès et est encensée par la critique pour ses prestations dans Après la chute d'Arthur Miller et Hogan's Goat.
Otto Preminger l'engage pour Que vienne la nuit en 1966 et lui fait signer un contrat d'une durée de cinq ans. Le film, avec Michael Caine et Jane Fonda, est un calvaire pour elle. Le réalisateur ne comprend, selon elle, pas « le processus de jeu d'un acteur. » À la sortie du film, elle met un terme à leurs relations conflictuelles et rachète son contrat : « Ça m'a coûté beaucoup d'argent pour ne pas retravailler avec Otto... Je regrette de l'avoir payé il était affreux. »
Elle songe à remettre en cause sa carrière cinématographie lorsqu'on lui propose le rôle de la criminelle Bonnie Parker dans Bonnie and Clyde. « Warren Beatty (interprète de Clyde Barrow et également producteur) s'est battu comme un lion. Il a rêvé et produit un film dont personne ne voulait. » Le film est critiqué pour une « glamorisation » faites aux deux tueurs, mais également pour sa violence et son humour noir,. Il est cependant un énorme succès commercial et fait de la jeune actrice une star. Elle est pour la première fois nommée à l'Oscar de la meilleure actrice et obtient un BAFTA. Newsweek la décrit comme « la révélation de l'année. Première star depuis Monroe respirant à la fois la sophistication, l'élégance, la grâce et l'expérience. »
Sa carrière est alors lancée. Dès lors, elle travaille avec les plus grands acteurs hollywoodiens sous la direction de réalisateurs de renom.
Brigitte Bardot vient de refuser L'Affaire Thomas Crown et Eva Marie Saint est pressentie pour la remplacer dans le rôle de l'inspecteur pour les assurances chargé d'enquêter sur le riche homme d'affaires Thomas Crown. Lorsqu'elle se présente au casting, Steve McQueen et le réalisateur Norman Jewison sont réticents C'est lorsque sort Bonnie and Clyde qu'elle est finalement engagée. Le film est un succès, reste célèbre entre autres pour la séquence de baiser de plus d'une minute entre McQueen et elle, et achève de fixer « l'image aseptisé d'un amour glacé » qu'elle représente.
Elle joue ensuite sur le continent européen, tout d'abord dans Le Temps des amants, qui à sa sortie, est considéré par la critique comme un film « horrible » ainsi que, selon le Los Angeles Times, « le plus médiocre depuis 1926. » Flattée d'avoir été pressentie pour La Maison sous les arbres, elle accepte le rôle que lui offre René Clément dans ce qui sera son plus « mauvais film » malgré sa présentation au festival de Cannes. Elle obtient une nouvelle proposition au Golden Globe, après Bonnie and Clyde, pour son interprétation d'un mannequin au bord de la dépression dans Portrait d'une enfant déchue (1971).
Malgré certains films notables comme L'Arrangement avec Kirk Douglas, elle voit se dérober devant elle les occasions comme lorsqu'elle refuse le rôle principal de Rosemary's Baby. Multipliant, de Little Big Man à La Tour infernale, les seconds rôles, selon les critiques, plus « prestigieux que valorisant », elle est recalée - au profit de Mia Farrow - lors du casting de Gatsby le magnifique.
Roman Polanski, sensible à « à sa beauté étrange, un peu démodée » l'impose aux financiers de
Chinatown qui préfèrent Jane Fonda à une actrice réputée querelleuse et dépressive. Le réalisateur ne tarde pas à s'en mordre les doigts. Sur le plateau, la star et son metteur en scène se conduisent en chiffonniers. Elle rechigne à se faire une teinture, il répugne à lui donner les motivations de son personnage, femme riche perverse et nymphomane. Elle l'accuse de lui avoir arraché les cheveux, il la traite de « dingue et d'emmerdeuse. » Leurs démêlés font la une des journaux à scandales. Le film est néanmoins un très grand succès critique et commercial. Robert Evans, le producteur, déclare même : « Faye Dunaway a tout, le talent, la beauté et l'esprit. Elle sera là très longtemps encore pour le prouver et nous en convaincre définitivement. » Elle est de nouveau proposée pour un Oscar, un Golden Globe et un BAFTA de la meilleure actrice.
C'est deux ans plus tard qu'arrive la consécration lorsqu'elle remporte l'Oscar et le Golden Globe de la meilleure actrice pour son rôle de productrice de télévision dans Network, main basse sur la télévision de Sidney Lumet.
La critique l'acclame et Joan Crawford écrit dans son autobiographie : « De toutes les actrices modernes, elle seule a le talent et le courage d'être une vraie star. » Dunaway accepte de l'incarner dans Maman très chère, film qui suit les rapports conflictuels entre la légende du cinéma et sa fille Christina. Elle pense alors remporter un second oscar pour sa performance. Lors de la sortie, le film est un échec aussi bien commercial que critique. Depuis, elle refuse de parler du film qu'elle considère comme ayant « brisé sa carrière » et lors de ses interviews elle soumet une liste de sujets qu'elle refuse d'aborder. « Je déteste vraiment parler de Maman très chère ! C'est une obsession chez les gens ! Pourquoi ont-ils besoin de se focaliser sur ce film que j'ai fait il y a plus de 20 ans. Ce n'était pas une bonne période de ma vie et le film n'est pas une expérience dont je souhaite parler » déclare t-elle. Son rôle est classé 41e par l'American Film Institute sur les 50 plus grands méchants du cinéma américain.
Elle se retire alors à Londres - « Une façon d'affirmer ma liberté dans un métier où l'on aime vous avoir sous contrôle » - et découvre la maternité.
Elle renoue avec le succès en 1987 avec Barfly où elle joue le rôle d'une alcoolique. Son partenaire Mickey Rourke dit de son personnage « Elle a l'air d'une déesse en détresse. » Elle décide alors de tourner avec de jeunes cinéastes - « Nous avons beaucoup à apprendre d'eux. C'est bon d'être secoués ! » - et privilégie d'Arizona Dream à Don Juan DeMarco, deux films avec Johnny Depp qu'elle définit comme « magique », les projets originaux.
Elle devient l'héroïne d'une sitcom, It Had to Be You, avec Robert Urich en 1993. Mais la série est annulée après quatre épisodes. Elle prend contact avec l'acteur Peter Falk pour avoir la possibilité de travailler avec lui. Falk a justement écrit un épisode pour sa série Columbo qu'il conserve jusqu'à ce qu'il ait trouvé la meilleure comédienne pour l'interpréter. Il soumet le scénario de l'épisode Meurtre aux deux visages à Dunaway qui accepte, frappée par « l'affection entre Columbo et Lauren (son personnage), et le fait qu'elle soit vulnérable et romantique. » Pour sa performance, Dunaway est nommée pour le Golden Globe de la meilleure actrice dans une minisérie ou un téléfilm et reçoit l'Emmy Award de la meilleure actrice invitée dans une série dramatique. « Je ne pouvais pas y croire quand j'ai entendu mon nom. Vous espérez toujours gagner, mais même si je pensais avoir bien joué, je ne pensais pas gagner. Les autres avaient accompli de très bonnes performances. Quand je suis allée à la tribune, tout le monde applaudissait. Les gens étaient debout, ils me serraient, ils m'applaudissaient. »
En 1996 sortent ses mémoires qu'elle intitule À La Recherche de Gatsby, le titre fait référence au film Gatsby le magnifique où elle avait essayé d'avoir le rôle de Mia Farrow. La même année, elle joue dans le premier film comme réalisateur de Kevin Spacey, Albino Alligator. Elle remporte un quatrième Golden Globe pour sa performance dans Femme de rêve (1998) où elle donne la réplique à Angelina Jolie. L'année suivante, elle accepte d'incarner Yolande d'Aragon pour le
Jeanne d'Arc de Luc Besson et apparaît dans le remake de L'Affaire Thomas Crown, Thomas Crown (1999), où Pierce Brosnan reprend le rôle de McQueen et Rene Russo celui de Dunaway. Elle joue ensuite dans The Yards (2000) où elle côtoie pour l'occasion Mark Wahlberg, Joaquin Phoenix et Charlize Theron.
Après avoir passé trente-trois ans devant la caméra, elle passe derrière et produit, écrit et réalise un court-métrage qui se situe dans les années 1930, intitulé The Yellow Bird qu'elle tourne en numérique dont l'intérêt est selon elle « l'accessibilité ». Elle interprète par la suite une mère accro au Xanax qui ignore tout de l'homosexualité de son fils dans Les Lois de l'attraction (2002) et apparaît dans plusieurs films indépendants.
Elle surprend les journalistes, aussi bien français qu'américains, acceptant des rôles d'un épisode aux génériques de séries télévisées telles que Alias (pour laquelle elle tourne trois épisodes, 2003), Les Experts (2006) ou plus récemment dans Grey's Anatomy (2009).
Elle reprend ensuite son rôle d'Evelyn Mulwray pour une petite apparition non créditée dans la suite de
Chinatown, The Two Jakes de Jack Nicholson. Elle participe au tournage d'Arizona Dream réalisé par Emir Kusturica avec Johnny Depp. C'est grâce à cette comédie dramatique qu'elle retrouve les honneurs. 1994 est pour elle l'année des contrastes. Elle remporte un nouveau Razzie Award pour Meurtre par intérim de Tom Holland. Elle est ensuite engagée par Andrew Lloyd Webber pour sa comédie musicale britannique Sunset Boulevard. Considerée comme une diva, exigeante et difficile que Jack Nicholson avait décrite comme « effroyable » et Roman Polanski comme « une gigantesque douleur dans le cul » , Faye Dunaway se fait renvoyer de cette production théâtrale. Elle perdra le procès qu'elle avait engagé contre Webber lui réclamant 6 000 000 de dollars. Néanmoins, elle reçoit un Emmy Award (pour Columbo - Le meurtre aux deux visages) et une nouvelle proposition au Golden Globe la même année.
Dans le rôle d'une lieutenant elle enquête sur une série de meurtres étranges dans Flick. Pour la promotion du film en Angleterre, un des journalistes du Guardian Xan Brooks est le premier à avoir l'opportunité de s'entretenir avec elle. Avant de la rencontrer le réalisateur David Howard lui fait part des anecdotes à ne pas parler durant l'interview dont Maman très chère, Andrew Lloyd Webber, l'adoption de son fils ou encore la chirurgie plastique qu'elle aurait pu avoir subie. L'entrevue se passe sans problème jusqu'à la question concernant le tournage de Chinatown et le pot d'urine qu'elle aurait jeté sur Roman Polanski. « C'est comme si un courant électrique est passé à travers son corps. » dira Brooks avant de se faire insulter par la comédienne malgré ses excuses.
En février 2009, elle joue, le temps d'un épisode, un médecin renommé du Seattle Grace Hospital de la célèbre série Grey's Anatomy où ses compétences sont remises en questions par le personnage joué par Sandra Oh,.
Son prochain film, 21 and a Wake-Up, devrait sortir en 2009. Elle développe actuellement le projet Master Class.