Nacque in una famiglia di attori: lo era stato il nonno Harry Mackenzie (che aveva adottato e poi trasmesso il nome d'arte Compton, lo erano il padre Edward e la madre Virginia Bateman, lo divenne la sorella Viola. Sposata nel 1911 con Harry Pelissier, esordì quell'anno nelle Pelissier's Follies, spettacoli satirici scritti e prodotti dal marito, e recitò altresì in diverse commedie di J.M. Barrie, il creatore di Peter Pan. Successivamente affrontò con successo il repertorio shakespeariano.
L'esordio nel cinema avvenne nel 1914 con il corto She Stoops to Conquer. Seguirono una quarantina di film, anche con ruoli di protagonista, fino a La vergine e lo zingaro del 1970. Numerose furono anche le sue partecipazioni alla radio e alla televisione.
Fay Compton ebbe quattro mariti: da Harry Pelissier ebbe il figlio Anthony (1912–1988), a sua volta padre dell'attrice Tracy Reed (1942–2012). Rimasta vedova, sposò nel 1914 l'attore Lauri de Frece, deceduto nel 1921. Nel 1922 si risposò con l'attore Leon Quartermaine, dal quale divorziò nel 1942 per sposare l'attore Ralph Michael. I due divorziarono nel 1946.