Фэй Рэй родилась 15 сентября 1907 года в городе Кардстон (Альберта, Канада). Её семья переехала в США, когда Фэй было три года — сначала в Аризону и Юту, а затем в Лос-Анджелес.
Снималась в эпизодических ролях в кино начиная с 1919 года. Известность приобрела после того, как исполнила главную роль в фильме Эриха фон Штрогейма «Свадебный марш» (The Wedding March, 1928). Попав в категорию «звёзд», снималась в главных ролях в целом ряде фильмов, где её партнерами были Гэри Купер, Рональд Колман, Фредрик Марч, Уильям Пауэлл, Ричард Арлен.
В 1928 году Фэй Рэй вышла замуж за драматурга и сценариста Джона Монка Сандерса, с которым развелась в 1939 году.
Пик её карьеры ознаменовался исполнением роли Энн Дэрроу в фильме «Кинг-Конг» (1933), которая сделала её одним из культовых персонажей в истории массового кино, «девушкой Конга». На волне этой популярности Фэй Рэй снялась также в нескольких менее значительных фильмах ужасов в первой половине 1930-х годов. Впоследствии она получала роли в основном в малобюджетных постановках. Перестала сниматься в кино в 1942 году, выйдя замуж за сценариста Роберта Рискина. После смерти Рискина в 1955 году на некоторое время вернулась в кино, но окончательно рассталась с кинокарьерой в 1958 году.
Актриса написала несколько пьес, которые успеха не имели, а также автобиографию «С другой стороны» (1989).
В 2004 году режиссёр Питер Джексон предложил Фэй Рэй маленькую роль в новом «Кинг-Конге» — она должна была произнести финальную реплику. Поначалу она отказалась. Несмотря на это Джексон рассчитывал добиться её согласия, однако 8 августа того же года Фэй Рэй скончалась во сне в возрасте 96 лет в своих апартаментах на Манхэттене. Тем не менее, она все же упомянута в фильме — Карл Дэнхем в разговоре с Престоном завершает её именем список актрис, которых хотел бы пригласить для съёмок, — и фильм заканчивается посвящением ей. Спустя два дня после её смерти в память об актрисе всё освещение на Эмпайр-стейт-билдинг было погашено на 15 минут.
За свой вклад в американскую киноиндустрию Фэй Рэй удостоена звезды на Голливудской аллее славы.