Nanette Fabray wurde 1920 in San Diego geboren. Sie war bereits im Kindesalter regelmäßig in Vaudeville-Shows zu sehen und trat gemeinsam mit renommierten Künstlern wie Ben Turpin und Bill Robinson auf. Ebenfalls war sie im Radio zu hören. Sie studierte an Max Reinhardts Theaterschule in Los Angeles und besuchte zusammen mit anderen Kinderschauspielern die Hollywood High School, an der sie 1939 ihren Abschluss machte.
Im selben Jahr absolvierte sie auch ihre ersten Filmauftritte, darunter in der Rolle einer Hofdame im Filmdrama Günstling einer Königin an der Seite von Bette Davis, Errol Flynn und Olivia de Havilland. Nach drei Filmen 1939 wandte sich Fabray in den 1940er-Jahren dem Theater zu, wo sie unter anderem im Erfolgsstück Meet the People mitwirkte. Als Sängerin arbeitete sie unter anderem mit Erich Wolfgang Korngold zusammen und sang mehrere seiner Liedkompositionen ein. Während ihres Studiums an der New Yorker Juilliard School trat sie in ihrem ersten Broadway-Stück auf, dem Musical Let’s Face It! mit Danny Kaye und Eve Arden. Es folgten weitere Broadway-Musicals wie By Jupiter (1942), Jackpot (1944) und High Button Shoes (1947), die Fabray zu einem Broadway-Star[1] machten. Für ihre Hauptrolle in Kurt Weills Musical Love Life gewann Fabray 1949 einen Tony Award.
1953 spielte Fabray ihre bekannteste Filmrolle als Lily Marton in Vincente Minnellis Filmmusical Vorhang auf! mit Fred Astaire. In diesem Film sang sie gemeinsam mit den anderen Hauptdarstellern auch das Lied That’s Entertainment, das auf Platz 45 der 100 größten Filmhits vom American Film Institute gewählt wurde. Während ihre Filmauftritte danach auch weiterhin rar blieben, wandte sie sich hauptsächlich dem aufkommenden Fernsehen zu. Sie absolvierte Gastauftritte in zahlreichen Shows. Für ihren Auftritt als Partnerin von Sid Caesar in der Fernsehserie Caesar’s Hour gewann sie drei Emmy Awards, darunter in der Kategorie Beste Komödiantin.
Ihr Markenzeichen waren vor allem energische und schlagfertige Frauen. Als Gast trat sie auch in vielen Quizshows sowie in den Fernsehsendungen von Dinah Shore, Andy Williams, Bob Hope, Dean Martin und Carol Burnett auf. Trotz ihrer Fernsehkarriere blieb sie dem Theater verbunden, unter anderem hatte sie Auftritte in den Broadway-Komödien Mr. President (1962–1963; die letzte Show von Irving Berlin) und No Hard Feelings (1973). Nach ihrer Rolle als Großmutter in der Fernsehserie One Day at a Time zwischen 1979 und 1984 zog sie sich zunehmend aus dem Showgeschäft zurück.
Fabray musste seit den 1950er-Jahren wegen starker Hörprobleme ein Hörgerät tragen; seit dieser Zeit setzte sie sich auch stark für Verbesserungen in diesem Bereich ein.[1] In zweiter Ehe war sie von 1957 bis zu seinem Tod 1973 mit dem Filmemacher Ranald MacDougall verheiratet; sie bekamen ein Kind. Fabray starb im Februar 2018 im Alter von 97 Jahren.[2]