Nata a Birmingham (Gran Bretagna) con il nome di Dorothy Fay Hammerton, iniziò a recitare all'età di nove anni[1] e apparve sui palcoscenici londinesi in numerosi drammi e commedie musicali[1]. Sposatasi nel 1914 con David Clyde, con il marito si trasferì negli Stati Uniti per continuare la carriera artistica, lavorando con William Patrick Campbell e recitando prima a Boston, poi in Canada[1], con il nome d'arte di Gaby Fay.
Fu nel 1935 che l'attrice fece il suo debutto cinematografico con alcune brevi apparizioni non accreditate e assunse il definitivo nome d'arte di Fay Holden. Tra i suoi primi ruoli, quello della Regina Vittoria nel dramma L'angelo bianco (1936) e di Mrs. Martin nell'avventura Anime sul mare (1937).
Nel 1937 la Holden interpretò per la prima volta il personaggio per il quale è oggi maggiormente ricordata, quello della signora Emily Hardy nella serie di film incentrati sulla figura di Andy Hardy (interpretato da Mickey Rooney), il bravo ma tendenzialmente ribelle "ragazzo della porta accanto". Nata per rispecchiare il modello ideale della famiglia americana[2], la serie si aprì con il film Sei giovane solo una volta e divenne subito molto popolare presso il pubblico cinematografico, grazie alle descrizioni sentimentali e garbate della vita domestica della famiglia Hardy[3]. Prodotta dalla MGM, il cui magnate Louis B. Mayer era assai attento a proporre film per famiglie che rispecchiassero l'etica di una società tradizionalista e perbene[2], la serie di Andy Hardy ebbe per protagonisti fissi, oltre alla Holden e a Rooney, Lewis Stone, nei panni del giudice Hardy, il pacato e saggio capofamiglia, e Ann Rutherford, la vivace vicina di casa Polly Benedict.
Dopo essere apparsa nel ruolo di Martha Belney nella commedia La sbornia di David (1950), con Elizabeth Taylor e Van Johnson, l'attrice fu lontana dalle scene per alcuni anni. Vi fece ritorno in sole due occasioni, una per un episodio della serie antologica The Ford Television Theatre (1956), e la seconda per riprendere un'ultima volta il personaggio di Emily Hardy in Il ritorno di Mr. Hardy (1958).
Vedova dal 1945 di David Clark, la Holden morì a Los Angeles il 23 giugno 1973, all'età di 79 anni, per un cancro.