A atriz e Frank Sinatra casaram em 1966. Na época, Mia tinha 21 anos e Frank 50. Divorciaram-se dois anos depois, porque Farrow recusou participar num filme com Sinatra, para fazer o filme de terror Rosemary's Baby, o que a tornou conhecida. Em 2013, a atriz confessou que apesar do casamento com Sinatra ter durado apenas dois anos, o amor continuou. Revelou também que Ronan, fruto do seu relacionamento com Woody Allen, poderia não ser filho do realizador, mas sim do cantor.
Quando se separou de Frank Sinatra, foi viver em casa de Dory Prévin, a sua maior amiga, casada com o músico André Previn, do qual Mia engravidou, provocando o divórcio do casal e a institucionalização de Dory. Depois do divórcio, Mia Farrow casou com André Prévin.
Nunca foi casada com Woody Allen, apesar do namoro ter durado 12 anos, e ter atuado em vários de seus filmes. O ex-casal, que nunca viveu junto, teve uma das mais mediáticas separações, pois a atriz descobriu que Allen mantinha um relacionamento com Soon-Yi Previn, a filha que havia adotado, juntamente com o seu marido anterior, André Prévin, e com quem Allen posteriormente se casou.
