Su nombre real es Fernando Casado Arambillet. Cuando Azaña fue nombrado presidente de la República, nombró a su padre su ayudante militar. Fernando Rey estudiaba Ciencias Exactas en Madrid cuando se produjo el alzamiento de julio de 1936. Se casó con la actriz argentina Mabel Karr.
Sus primeros éxitos tuvieron lugar en 1945 con Los últimos de Filipinas, dirigida por Antonio Román y Locura de amor en 1946, dirigida por Juan de Orduña.
A partir de aquí se suceden otras películas como: Agustina de Aragón (1950), La señora Fátima (1951), Cielo negro (1951), Cómicos (1954), La venganza (1957), Sonatas (1959).
En la década de los 60 su carrera recibe un impulso. En 1961 interviene en Viridiana de Buñuel además de otras películas como El precio de la muerte (1963) de Carol Reed, A escape libre (1964) de Alberto Lattuada, Campanadas a media noche (1966) de Orson Wells, Una historia inmortal (1966) de Jean Becker y Blanco y rojo y... de Mauro Bolognini.Fernando Rey trabajó con Buñuel en otras ocasiones en películas como Tristana (1970), El discreto encanto de la Burguesía (1972) y Ese oscuro objeto del deseo (1977).En los años 70 consolida su fama de actor internacional con películas como French connection I y II (1971 y 1975), Nina (1976), Excelentísimos cadáveres (1976), Quintento (1978), El gran atasco (1978). Intervino en películas españolas como Elisa, vida mía (1977), El crimen de Cuenca (1979), Bearn (1983), Padre nuestro (1985), Mi general (1987), Pasodoble (1988), El aire de un crimen (1988), Diario de invierno (1988), Madregilda (1993), Al otro lado del túnel (1993), El bosque animado y en las series televisivas Don Quijote y Los Pazos de Ulloa.
Fernando Rey recibió numerosos premios y distinciones como el del Festival de San Sebastián en 1972, en Cannes por Elisa, vida mía en 1977, medalla de oro de las Bellas Artes en 1981, premio homenaje en el Festival de Cannes en 1983, en el Festival de San Sebastián en 1988, medalla de oro de la Academia de las Artes y las Ciencias en 1991...