Vina Fay Wray est née le à Cardston, en Alberta, au Canada. Peu après sa naissance, ses parents déménagent aux États-Unis et se fixent à Los Angeles. Très jeune, elle fait de la radio et de la figuration dans des courts métrages, pour la Fox et Hal Roach, pendant les vacances scolaires. Elle n’a pas vingt ans pour son premier rôle dans un long métrage, il lui est donné par Rowland V. Lee dans The First Kiss en 1928. Puis elle va jouer dans des westerns, et en 1928, elle rencontre Erich von Stroheim avec qui elle tourne La Symphonie nuptiale et Mariage de prince.
Ses nombreuses apparitions à l'écran lui font rencontrer les comédiens les plus célèbres de l’époque. Au début des années 1930, nouveau virage, elle devient l’actrice fétiche de films fantastiques et elle reste indissociablement liée à des films marquants de l’histoire du cinéma tels Les Chasses du comte Zaroff et King Kong. De 1928 à 1938, elle est l’épouse de l'auteur dramatique John Monk Saunders, dont elle a une fille, Susan.
Fay Wray en 1930.
En 1935, elle prend la nationalité américaine, se rend en Angleterre pour le tournage de plusieurs films et rentre aux États-Unis l’année suivante. Son utilisation dans des genres pointus est un handicap pour une pleine exploitation de son talent et de ses capacités. Elle est coauteur avec Sinclair Lewis de la pièce Angela is Twenty-Two, montée en 1939 à Détroit et Chicago, qui sera portée à l’écran en 1944 par Felix Feist, sous le titre : This is the life.
Elle continue de tourner à un rythme impressionnant jusqu'en 1942, époque où elle décide de privilégier sa vie de famille. Elle épouse en deuxièmes noces le scénariste Robert Riskin, avec qui elle a deux enfants, Victoria et Robert jr. Il décède en 1955. Elle revient au cinéma pour une courte période entre 1952 et 1958, avant de mettre un terme définitif à sa carrière cinématographique. En 1988, elle publie son autobiographie intitulée On the other hand.
Au début des années 2000, elle donne son accord au réalisateur Peter Jackson pour faire une apparition dans son remake de King Kong et pour prononcer la réplique finale. Cependant, elle décède le à New York, un mois avant les premières prises de vues prévues en septembre 2004.
