Dunaway alsis de dochter van een [[sergeant]] in het [[United States Army|Amerikaanse leger]]. Ze studeerde aan de toneelafdeling van de [[Universiteit van Boston|Boston University]] en aan de [[Universiteit van Florida|University of Florida]]. Begin jaren zestig debuteerde ze als actrice op [[Broadway (theater)|Broadway]]. Haar filmdebuut maakte ze in 1967, toen ze in ''Hurry Sundown'' speelde. In datzelfde jaar speelde ze [[Bonnie en Clyde|Bonnie]] in de film ''Bonnie en Clyde''. Deze rol leverde haar een [[Oscar (filmprijs)|Oscar]]-nominatie op. Ook voor haar rol in ''Chinatown'' (1974) werd ze voor een Oscar genomineerd. In 1976 won ze een Oscar voor de beste vrouwelijke hoofdrol in de film ''[[Network (film)|Network]]''.
Vanaf de jaren tachtig speelde ze kleinere rollen. Ze is twee keer getrouwd en tweemaal gescheiden. Van 1 augustus 1974 tot haar scheiding in 1979 was ze gehuwd met [[Peter Wolf]], leadzanger van [[The J. Geils Band]]. In 1984 trouwde ze met [[Terence O'Neill (fotograaf)|Terry O'Neill]], een Britse fotograaf. Met O'Neill heeft ze één kind.
