1923年、16歳のフェイ・レイは地元の新聞社がスポンサーになった短編歴史映画で初めて映画に出演した[5]。1920年代は『The Coast Patrol』で主要キャストに起用された他、ハル・ローチ・スタジオ（英語版）と週給60ドルで半年間の契約を結び、同スタジオの作品に出演していた[1]。1926年にはワンパス・ベビー・スターズの一人に選ばれている。当時のフェイ・レイはユニバーサル・スタジオと契約しており、主に西部劇映画でバック・ジョーンズ（英語版）と共演していた。

1927年にパラマウント・ピクチャーズと契約を結び、エリッヒ・フォン・シュトロハイムの『結婚行進曲（英語版）』のヒロイン役に起用された。同作は高額な製作費を投じた映画として注目を集めたが、興行的には失敗に終わった。また、フェイ・レイにとっての初主演作品となった。彼女はパラマウントで十数本の映画に出演し、その中で時代はサイレント映画からトーキー映画に移行していった[6]。

パラマウントを離れたフェイ・レイは、他の映画製作会社の下で『ドクターX（英語版）』『肉の蝋人形』などのホラー映画に出演した。その後はRKOと契約を結び、『猟奇島』でジョエル・マクリー、ロバート・アームストロングと共演した。『猟奇島』と同時並行で製作されたのがフェイ・レイの代表作となる『キング・コング』である。フェイ・レイによると、『キング・コング』のアン・ダロウ役にはジーン・ハーロウが起用される予定だったが、彼女がメトロ・ゴールドウィン・メイヤーと専属契約を結んだため起用できなくなったという[7]。ハーロウの起用が不可能になったため、監督のメリアン・C・クーパーは1万ドル（2020年の貨幣価値で20万ドル）の出演料でフェイ・レイをアン・ダロウ役に起用した[8]。『キング・コング』と『猟奇島』のジャングルのシーンは同じセットで撮影され、日中は『キング・コング』、夜間は『猟奇島』の撮影が行われた。『キング・コング』は興行的に大きな成功を収め、フェイ・レイは同作がRKOを倒産の危機から救ったことを誇りに思っていたという[9]。一方で『キング・コング』での役柄から「絶叫クイーン」として認知され、『キング・コング』以降の映画オーディションに参加するたびに「叫び声を出して欲しい」と要求されるようになったことには辟易しており、「絶叫クイーンと呼ばれるのは好きではありません」と語っている[10]。

『キング・コング』以降も『世界一の金持ち娘（英語版）』などに出演していたが、1940年代に入ると出演機会が減少した。1942年に2度目の結婚を機に女優業を引退するが、経済的な事情からすぐに復帰した。その後30年間、フェイ・レイはいくつかの映画やテレビシリーズに出演した。1953年から1954年にかけて放送された『The Pride of the Family』ではキャサリン・モリソン役を演じている。1955年には『Queen Bee』に出演した。1950年代は『Perry Mason』『Playhouse 90』『ヒッチコック劇場』、1960年代には『サンセット77』『The Islanders』『The Real McCoys』『The Eleventh Hour』などのテレビシリーズに出演し、1980年に『Gideon's Trumpet』に出演したのを最後に女優業を引退した。
晩年晩年のフェイ・レイ

1991年にボザール舞踏会（英語版）のクイーンに選ばれ[11]、1998年には自伝『On the Other Hand』を出版した[12]。