Herečka celým jménem Dorothy Faye Dunaway se narodila 14. ledna 1941 v městě Bascom na Floridě. Její otec byl armádním důstojníkem a rodina tak trávila čas na různých základnách ve Spojených státech a v Německu. Dunaway, která umělecký talent projevovala už jako dítě, vystudovala divadelní umění na Bostonské univerzitě a další hereckou přípravu získala pod vedením spisovatele a režiséra Eliu Kazana v newyorském Lincolnově centru. V roce 1962 pak úspěšně debutovala v divadle na Broadwayi a o pět let později se poprvé objevila ve filmu (Hurry Sundown).

Mezinárodní hvězdu z ní však udělala až role gangsterské milenky ve filmu o legendární lupičské dvojici Bonnie a Clyde z roku 1967. Role v kultovním melodramatu z dílny režiséra Arthura Penna, kde si zahrála po boku Warrena Beattyho, jí přinesla první nominaci na Oscara a další herecké ceny. Postava štíhlé rebelky s baretem z ní pak udělala idol mladé generace konce 60. let.

Působivou kreaci osudové ženy po boku Jacka Nicholsona si zahrála v psychologickém dramatu s detektivní zápletkou Čínská čtvrť. Role ve snímku režiséra Romana Polanského z roku 1974 jí přinesla druhou oscarovou nominaci. Proslulou pozlacenou sošku nakonec získala o dva roky později za roli ambiciózní televizní ředitelky ve filmu Network (Síť, 1976).

Ve svém nejúspěšnějším dvacetiletí, a to v 60. a 70. letech, si herečka zahrála například ve filmech Případ Thomase Crowna (1968, se Stevem McQueenem), Malý Velký Muž (1970), Skleněné peklo (1974), Tři dny Kondora (1975 , s Robertem Redfordem) a jako intrikánská Milady se objevila ve snímcích o třech mušketýrech.

Majitelka hvězdy na hollywoodském chodníku slávy byla dvakrát vdaná. Poprvé za rockového muzikanta Petra Wolfa, pak za britského fotografa Terryho O'Neilla, se kterým má syna Liama (druhý exmanžel Dunawayové o něm v roce 2003 prohlásil, že je adoptovaný). Vášnivý románek kdysi prožila také například s italským herce Marcellem Mastroiannim.