Nació el 1 de abril de 1939 en Nueva York (USA).
Estudió en el Rosemary Hall y en la Universidad de Wellesley de Massachusetts. En 1960 empezó a trabajar como asistente de fotografía en la revista "Hasper's Bazar". También colaboró en "Vogue" como asistente de la experta en moda Diana Vreeland, fue decoradora de interiores, estilista y modelo. Entre 1961 y 1962 tuvo como primer marido a Robin Hoen.
Tras intervenir en spots publicitarios para marcas como Polaroid, se introdujo en el mundo de la interpretación. En 1969 debutó como protagonista de la comedia dramática "Complicidad sexual", por la que ganó un Globo de oro a la mejor promesa femenina. En 1969 contrajo matrimonio con el reputado productor Robert Evans, al que conoció durante el rodaje de la película "Love Story", y con el que tuvo un hijo, el actor, director y productor Josh Evans.
Un año más tarde, "Love Story" se estrenó con gran éxito, y medio mundo lloró con la melodramática historia de amor entre los jóvenes Jennifer Cavalleri (papel interpretado por ella) y Oliver Barrett (Ryan O' Neal), algo a lo que también ayudó la popular banda sonora de Francis Lay, muy en consonancia con el largometraje. Por su interpretación ganó el Globo de oro a la Mejor actriz dramática, y fue nominada al Oscar y a los BAFTA en la categoría de Mejor actriz.
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Junto a Robert Evans.
Convertida en la nueva actriz de moda (llegó a ser portada de la revista "Time"), en 1972 protagonizó el thriller de acción "La huida" a las órdenes de Sam Pekimpah. En ella dio vida a Carol McCoy, una mujer que logra sacar de la cárcel a su marido Doc (Steve McQueen), gracias a que un corrupto un hombre de negocios llamado Jack Beynon (Ben Johnson) se encarga de interceder en el asunto. A cambio ello el matrimonio se verá obligado a participar en un atraco acompañado de dos pistoleros llamados Rudy (Al Littieri) y Frank (Bo Hopkins).La película es toda una lección magistral donde el tratamiento de la violencia y el buen pulso del suspense juegan su mejor baza.
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La evidente química entre McQueen y la actriz desató en un inevitable romance que la llevó a divorciarse de Robert Evans en 1972, y a casarse con el actor en 1973. La pareja se divorció en 1978 (dos años antes de él fallecer), y tras varios años alejada de las pantallas, ella regresó al cine con la película de acción "Convoy", uno de los trabajos menos destacables de Sam Pekimpah. Este film estaba ambientado en el mundo de los camioneros, y en él compartió reparto con Kris Kristophersson.
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Sus siguientes películas fueron dos films románticos de escasa relevancia: el drama deportivo "Pasiones en juego" (1979), y la comedia "Dime lo que quieres" (1980). En 1983 fue Natalie Jastrow en la miniserie de gran presupuesto "Vientos de guerra". Ese mismo año también intervino en el telefilm "La rosa de China". En 1985 actuó en el thriller "Asesinato selecto", y fue actriz invitada en 13 capítulos de la quinta temporada de "Dinastía", donde dio vida a Lady Ashley Mitchell (años más tarde confesó que aceptó este papel sólo por motivos económicos).
Tras su participación en la serie, decidió alejarse de la interpretación durante varios años, aunque en los 90 regresó brevemente con los telefilms "Náufragos" (1992) y "Gunsmoke: the Long Ride" (1993), y como secundaria en las películas de bajo presupuesto "Natural Causes"(1994) y "Glam" (1997). Posteriormente tomó la decisión de abandonar el mundo del espectáculo, aunque en 2006 debutó en Broadway con "Festen", versión teatral de la película "Celebración" (1998) de Thomas Vinterberg. En 1991 publicó su autobiografía "Moving Pictures", donde confesó sus problemas con el alcohol y su complicada vida sentimental. En 1994 presentó y produjo un vídeo de Yoga titulado "Ali MacGraw Yoga Mind and Body". En los últimos años se ha dedicado a luchar por los derechos de los animales siendo miembro de PETA, y por su labor recibió el premio Humane Education otorgado por la asociación Animal Protection de Nuevo México.
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