1941. január 14-én született a floridai Bascom városában.
Tanulmányait a Florida State Universityn, a Boston Universityn és a University of Florida falain belül végezte, majd tagja lett az amerikai Nemzeti Színház és Akadémiának. Az igéző szőke szépség, sorra nyerte a szépségversenyeket, a modellügynökségek ajánlatait azonban visszautasította, mert ő mindig is színésznő akart lenni. 1965-ben tűnt fel először a képernyőn a Seaway című sorozatban. 1967-től kezdve már játékfilmekben is látható volt; egyik legismertebb szerepe a Bonnie és Clyde című film női főszerepe. A filmben Warren Beatty volt a partnere, akivel a barátsága évtizedeken át kitartott. A filmben hordott hajviseletével, ruháival és svájcisapkájával divatot teremtett. Öltözködését sokan utánozták, és Bonnie szerepének köszönheti, hogy nemzetközileg ismert, igazi stílusikon lett az 1960-as évek végétől. Azon kevés színésznők egyike, akin mindig fantasztikusan áll a kalap, a nadrágkosztüm pedig személyes kedvence. Legendák keringenek a küzdőképességéről, a kitartásáról. Sokan nem szerették az állandó tökéletességre való törekvése miatt, sztárallűrnek, szeszélynek vélték azt. 1973-ban A három testőr – A királyné nyaklánca című filmben láthattuk viszont a Milady szerepében, Sidney Lumet Hálózat című 1976-os filmje meghozta Dunaway-nek a már rég megérdemelt Oscar-díjat. 1983-ban A gonosz Lady című drámában Alan Bates és John Gielgud oldalán játszott, majd 1992-ben bemutatott Arizonai álmodozókban Johnny Depp és Jerry Lewis partnereként játszhatott, két évvel később pedig Marlon Brandoval és szintén Johnny Deppel dolgozhatott együtt a Don Juan de Marcóban. A nyolcvanas évek elején elvállalta az Anyu, a sztár női főszerepét, amiben Joan Crawfordot, Hollywood fénykorának legendás sztárját játszotta el. De hiába az emlékezetes alakítás, a gyermekmolesztálós életrajzi film miatt szó szerint kitagadták az álomgyárból, karrierje pedig azóta sem éledt újra. A színésznő aktív karriere során évente 2-3 filmszerepet kapott, az utolsó film melyben szerepelt a 2010-es Családi hálaadásünnep című vígjáték volt. Ezt követően 6 év után 2017-ben, állt újra kamerák elé a Bye-Bye Man című vígjátékban.