Народилася в Лос-Анжелесі. У 9 років перенесла поліомієліт, що, за її словами, стало для неї тим, що відклалося на все життя. Закінчивши навчання в католицькому пансіонаті в Англії, повернулася у США й стала грати на бродвейській сцені з матір'ю, що прославилася колись роллю подруги Тарзана. Вперше знялася в кіно у фільмі батька Дж. Ферроу «Джон Пол Джонс»[en] (1959).[3] Закінчила курси драматичного мистецтва в Лос-Анжелесі.
В 1964 році Ферроу взяла псевдонім «Міа», під яким прожила все життя, і почала з'являтися в бродвейських постановках. Її типаж — худоба, підліткова незграбність, великі сяючі очі — був ідеальними для моди 60-х. Першу популярність здобула роллю в мильній опері «Пейтон-Плейс» (1964—1966).
21-річна Ферроу опинилася в центрі уваги, стоячи в 1966 році під вінцем з 50-річним Френком Сінатрою.[4] Шлюб розпався в 1968 році, тоді ж вийшов перший значний фільм з її участю — «Дитина Розмарі» (1968) Романа Поланскі[5], містична історія про народження сина диявола, що приніс Ферроу широку популярність. З цього часу вона починає активно зніматися в кіно паралельно з роботою в театрі.
У 1970 вийшов фільм «Джон і Мері». 25-річна Ферроу одружилася з 41-річним диригентом Андре Превіном, народила двійнят і переїхала з чоловіком до Лондона. Незабаром подружжя удочерило трьох дівчаток: в'єтнамок Ларк Сонг і Саммер Сонг і кореянку Сун-І.[6]
У 1972 році Ферроу вступила в Королівську шекспірівську компанію, з успіхом виконавши ролі в п'єсах Чехова, Горького, Шекспіра. Не розривала і зв'язки з американським кіно.[7][8] У період з 1971 по 1978 рр. знялася в семи фільмах, серед яких «Весілля» і «Смерть на Нілі» (1978). Картиною, що сколихнула інтерес до Ферроу, стала екранізація роману Скотта Фіцджеральда«Великий Гетсбі» (1974).
У 1979 році на зйомках «Урагану» виник бурхливий роман між Ферроу і шведським кінооператором Свеном Нюквіст. Ферроу розлучилася з Превіном і з усіма шістьма дітьми повернулася в Америку.
У 1982 Ферроу зустріла Вуді Аллена на зйомках «Еротичної комедії в літню ніч». Зіграла в 13 його картинах, де розкрила свій комедійний талант. Серед картин: «Ганна та її сестри» (1986), «Березень» (1987), «Інша жінка» (1988), «Злочини і проступки» (1989), «Еліс» (1990), «Чоловіки і дружини» (1992). Найвищим їх досягненням стали грандіозна кіномістифікація «Зеліґ» (1983) і пародія на кіно 1930-х «Пурпурова троянда Каїра» (1986).
В 1987 народила від Аллена сина Сатчела (змінив ім'я на Ронан і працював у Держдепартаменті США Гілларі Клінтон).
Творчий й особистий союз скандально обірвався у 1992 році, коли Ферроу дізналася про роман Аллена з її названою дочкою.
У 2000-х Ферроу рідко з'являлася на великому екрані. У 2006 році зіграла в успішному рімейку знаменитого містичного фільму жахів «Омен». У кінці 2006 року вийшла казка Люка Бессона«Артур і Мініпути», де Міа Ферроу виконала одну з головних ролей.
У жовтні 2013 Ферроу сказала в інтерв'ю Vanity Fair, що Ронан Ферроу може бути сином Френка Сінатри, з яким вона продовжувала зустрічатися після розлучення.
