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.