Дороти Фэй Данауэй (англ. Dorothy Faye Dunaway) родилась 14 января 1941 года в Бэскоме, штат Флорида, в семье унтер-офицера Джона Макдауэлла Данауэя и домохозяйки Грейс Эйприл. Её отец погиб в годы Второй мировой войны во время американской кампании в Европе.
Данауэй училась на театральном отделении Бостонского, а затем Флоридского университета. В 1962 году она вступила в труппу американского национального театра, с чего и началась её актёрская карьера. В том же году она дебютировала на Бродвее в постановке «Человек на все времена».
Впервые на киноэкранах Фэй Данауэй появилась в 1967 году - сперва в малоприметных картинах «Поторопи закат» и «Происшествие», а затем в главной роли в гангстерском триллере Артура Пенна «Бонни и Клайд», которая принесла ей номинацию на «Оскар» и статус самой красивой женщины современности. Спустя год актриса сыграла главную роль в культовом фильме-ограблении «Афера Томаса Крауна», став к тому времени одной из новых ярких звёзд Голливуда. Спустя тридцать лет Данауэй появилась и в ремейке данной картины, где исполнила небольшую роль психотерапевта.
В 1970-х Данауэй оставалась одной из ведущих американских актрис, что подкреплялась успешными ролями в фильмах «Маленький большой человек» (1970), «Три мушкетёра: Подвески королевы» (1973), «Китайский квартал» (1974), «Три дня Кондора» (1975) и «Телесеть», роль журналистки Дайаны Кристенсен в котором принесла ей премии «Оскар» и «Золотой глобус».
С началом 1980-х карьера Данауэй пошла на спад, во многом из-за провала и резкой критики картины «Дорогая мамочка» (1981), за роль Джоан Кроуфорд в котором актриса получила премию «Золотая малина». Самой заметной работой актрисы в кино в те годы стала роль Ванды в биографической драме Барбета Шрёдера «Пьянь» (1987), за которую она была номинирована на «Золотой глобус».
В 1990-х и 2000-х Фэй Данауэй довольно редко появлялась на большом экране, и то преимущественно в эпизодах малобюджетных картин. Единственным исключением для неё стала роль Мэрилин Миклер, супруги персонажа Марлона Брандо в романтической драме «Дон Жуан де Марко» с Джонни Деппом в главной роли.
2 октября 1996 года на Голливудской аллее славы была заложена звезда Фэй Данауэй.
В отличие от своих «коллег по цеху», Данауэй ныне проживает в одном из беднейших районов Лос-Анджелеса, в скромном трёхспальном бунгало, и крайне редко появляется на публике. Согласно некоторой информации, после ряда пластических операций актриса, когда-то признававшаяся одной из самых красивых женщин XX века, стесняется своей внешности, из-за чего и ведёт затворный образ жизни.
Личная жизньВ 1968 году Данауэй встретила звезду итальянского киноэкрана Марчелло Мастроянни, на тот момент официально женатого на актрисе Флоре Карабелле. Данауэй и Мастроянни провстречались около трех лет, но в конце концов решили расстаться из-за того, что актёр не решился оставить жену и детей ради Фэй.
Фэй Данауэй дважды была замужем. Первый муж (1974) - гитарист Питер Вулф из американской группы «Geils Band». От второго супруга, британского фотографа Терри О’Нила, она родила сына Лайама.