Son rôle le plus marquant reste celui de la scénariste Lily Marton dans Tous en scène (1953), aux côtés de Fred Astaire, Cyd Charisse et Jack Buchanan. Son personnage est directement inspiré de Betty Comden, la partenaire du producteur Arthur Freed. Elle y danse notamment dans les numéros Triplets et Louisiana Hayride.
Elle débute à Broadway en 1941 dans la comédie musicale Let's Face It !. On la verra ensuite dans By Jupiter (1942), Bloomer Girl (1944), High Button Shoes (1947), Love Life (1948, pour lequel elle remporte un Tony Award), Make a Wish (1951) et Mr. President (1962, pour lequel elle est sélectionnée aux Tony Awards).
Elle est d'abord créditée sous le nom de Fabares. Elle change son nom de scène après un passage embarrassant à l'émission The Ed Sullivan Show où le célèbre présentateur, en lisant son carton, avait prononcé son nom « Fa-bare ass » (« Fa-cul nu »).
Carrière télévisuelle
Nanette Fabray remporte trois Emmy Awards pour son rôle dans la série télévisée Caesar's Hour de 1954 à 1957. On la voit souvent dans des rôles de mère : dans Au fil des jours elle est la mère de d'Ann Romano, dans The Mary Tyler Moore Show celle de Mary Richards, et même la mère de sa propre nièce Shelley Fabares dans Coach.