В своей первой кинокартине Рэй снялась в 1923-м, в возрасте 16 лет. Это была эпизодическая роль в исторической короткометражке. В 1920-х она получила серьезную роль в немом фильме «The Coast Patrol». В 1926-м Фэй вошла в состав группы женщин, «Молодые звезды», которых раскручивали как будущих светил кинематографа. Актриса получила контракт со студией «Universal Studios», где, в основном, была занята в малобюджетных вестернах с Баком Джонсом.
В 1927-м Фэй заключила сделку с компанией «Paramount Pictures». Через год режиссер Эрих фон Штрогейм пригласил ее на главную женскую роль в его фильм «Свадебный марш», который, к сожалению, провалился в прокате, несмотря на достойный бюджет. Продолжая сотрудничество со студией «Paramount Pictures», Рэй снялась еще в достаточном количестве фильмов, перейдя из эпохи немого в эпоху звукового кино.
Наибольшую известность Рэй приобрела после сделки с компанией «RKO Radio Pictures». Не осталось незамеченным ее появление в триллере «Самая опасная игра» в 1932-м, вслед за которым последовала самая знаковая роль. Речь идет об образе Энн Дэрроу, «девушки Конга», из культового фильма ужасов «Кинг Конг» 1933-го. За эту работу актриса получила гонорар в размере 10 тыс. долл. Русский зритель официально впервые увидел «Кинг Конга» в кинотеатрах только в 1970-м.
Рэй продолжала блистать в других фильмах, но к началу 1940-х ее все реже можно было видеть на большом экране. Она пожелала поставить точку в карьере в 1942-м, но позже острая необходимость в деньгах заставила ее вернуться в кино и на телевидение еще на целых три десятилетия.
В январе 2003-го Фэй, которой уже стукнуло 95 лет, прибыла на Международный кинофестиваль в Палм-Бич, чтобы не только отпраздновать выход документального фильма Рика МакКэя «Бродвей: Золотая эра», где фигурировала сама, но и получить премию «Легенда кино».
В более почетном возрасте Рэй неоднократно прибывала с визитом в Эмпайр-стейт-билдинг, в том числе в качестве почетного гостя в 1991-м, когда здание отмечало 60-летие, и в мае 2004-го. Последний раз актриса появилась перед широкой публикой на вечеринке в нью-йоркском ресторане «Sardi»s», состоявшейся после премьеры фильма «Бродвей: Золотая эра».
Рэй трижды была замужем: за писателями Джоном Монком Саундерсом и Робертом Рискином и нейрохирургом Сэнфордом Ротенбергом. У нее было трое детей: Сьюзен Саундерс, Виктория Рискин и Роберт Рискин-мл.
В 2004-м она отказала режиссеру Питеру Джексону появиться в маленькой роли в его ремейке «Кинг Конг», заявив, что оригинальный «Конг» – настоящий «Конг». Рэй познакомилась с Наоми Уоттс (Naomi Watts), которой предстояло сыграть Энн Дэрроу.
Фэй Рэй умерла во сне, 8 августа 2004-го, еще до съемок ремейка. Через два дня все освещение Эмпайр-стейт-билдинг было погашено в память о Рэй на 15 мин.