1994'te Conyers, Georgia'da doğdu. Eski bir tenisçi olan Heather Joy Arrington ve eski beyzbol oyuncusu Steven J. Fanning'in kızıdır. 1998 doğumlu kardeşi Elle Fanning de oyunculuk yapmıştır. Georgia'daki bazı tiyatrolarda oyunculukla çok küçük yaşta tanıştı. Reklam videolarından sonra ER, CSI: Crime Scene Investigation, The Practice, Spin City, Ally McBeal gibi dizilerdeki rolleriyle yeteneğini gösterdi. 2001 yapımı Benim Adım Sam (I Am Sam) filminde Sean Penn'le birlikte müthiş bir ikili oluşturan Fanning, Lucy karakteriyle Screen Actors Guild Ödülü'ne henüz 7 yaşında aday gösterildi. Sweet Home Alabama, Uptown Girls, War of the Worlds gibi filmlerde çocuk oyuncu performanslarıyla göz doldurdu.
2009'da Alacakaranlık serisinin Yeni Ay filminde Jane Volturi'yi canlandıran Fanning, serinin 2 filminde daha aynı karakterle yer aldı. Bu sırada liseyi Campbell Hall School'da okudu ve 2014'te New York Üniversitesi'nin Kadın Çalışmaları Bölümü'nü bitirdi. 2010 yapımı The Runaways filminde ünlü rockçı Cherie Currie'yi oynadı. Effie Gray, Brimstone, American Pastoral gibi filmlerle sinema kariyerini sürdürdü. 2018'de başlayan The Alienist dizisinde Sara Howard karakteriyle başrolü Daniel Brühl ve Luke Evans ile paylaştı.