Pochodziła z dużej rodziny. Kiedy była mała przeprowadzili się do Arizony w poszukiwaniu lepszego życia, a później zamieszkali w Kalifornii. Kiedy jej rodzice rozwiedli się, bardzo to przeżyła. W wieku 16 lat zagrała swą pierwszą, małą rolę w krótkometrażówce "
Gasoline Love", która nie okazała się hitem. Jej kolejny film, "
The Coast Patrol", mimo że nie zdobył popularności spowodował, że Fay została zauważona. W 1926 roku jej kariera ruszyła do przodu. Wytwórnia Western Association of Motion Pictures wybrała ją jako jedną z niewielu aktorek, które miały dla niej grać. W 1928 wystąpiła w "
Marszu weselnym", który okazał się wielkim hitem. Nadejście ery kina dźwiękowego dodało jej popularności, ponieważ miała bardzo piękny głos. W 1933 roku zagrała w "
The Vampire Bat", "
Ann Carver's Profession" oraz "
King Kongu". Od tej pory była kojarzona głownie z tym ostatnim. Potem Wray wspominała, że obiecano jej występ u boku "najprzystojniejszego bruneta Hollywood". Aktorka spodziewała się ujrzeć
Clarka Gable'a, tymczasem jej partnerem został goryl. Jako urodziwa, słodka blondynka Fay była zwykle partnerką wielkich gwiazdorów:
Gary'ego Coopera,
Fredrica Marcha czy
Williama Powella. Jej 11-letnie małżeństwo z
Johnem Monkiem Saundersem rozpadło się z hukiem w 1939 roku. W kolejnych latach wystąpiła jeszcze w kilku filmach, a jej ostatnią rolą była postać Edny w "
Sprawie Gideona" z 1980. Do końca życia wychwalała złotą epokę kina, skarżąc się na śmierć romantyzmu we współczesnej twórczości filmowej. Była wyśmienitą aktorką umiejącą walczyć o siebie i o swe role. Wray zmarła 8 sierpnia 2004 roku w wieku 96 lat.