Фэй Данауэй родилась в 1941 году в штате Флорида. Еще в детстве будущая актриса занималась танцами, игрой на фортепиано и пением. После школы Данауэй продолжила учебу на театральном факультете в Университете Флориды, а затем и в Бостонском университете. Вскоре после его окончания она дебютировала на Бродвее в «Человеке на все времена».
Ее первые роли были второстепенными, хоть и получали признания критиков. Однако сразу за ними последовала и главная партия — Данауэй появилась в гангстерском триллере Артура Пенна «Бонни и Клайд». Эта картина принесла ей номинации на «Оскар» и «Золотой глобус», премию BAFTA, а также звание самой красивой женщины современности.
После этого ее карьера пошла в гору. За фильмом последовали и другие крупные ленты. Картина «Китайский квартал» сделала ее одной из самых востребованных и успешных американских актрис. А роль Дайаны Кристенсен в фильме «Телесеть» принесла Фэй Данауэй «Оскар». При этом, несмотря на свою популярность, актриса предпочитала оставаться в тени.
«Мне не нравится быть на виду у всех. Такая жизнь иногда похожа на пузырьки шампанского, она может быть немного опасной, и нужно не увлекаться ей», — говорила Данауэй.
Она и сейчас продолжает вести закрытый образ жизни и крайне редко появляется на публике. Причиной этому, как пишут СМИ, стал ряд пластических операций, из-за которых актриса, некогда считавшаяся одной из самых привлекательных женщин, начала стесняться своей внешности.