U Las Vegasu 19. srpnja 1966. godine Mia Farrow se udala za Franka Sinatru. Farrow je tada imala samo 21 godinu, dok je Sinatra proslavio 50 rođendan.

Sinatra je želio da se Farrow odrekne glumačke karijere, na što je ona u početku i pristala. Pratila je Sinatru na snimanju njegovih filmova, ali ubrzo se zasitila toga i poželjela je nešto raditi, te se prijavila za ulogu u Rosemaryinoj bebi. Frank joj je u međuvremenu našao ulogu, pa se zbog toga još više razljutio kada ga je odbila zbog angažmana kod Polanskog. Krajem 1967. dok je Mia snimala ‘Rosemary’s Baby’, Frankov odvjetnik joj je došao s papirima za razvod.

Mia Farrow je kasnije priznala da je dobna razlika bila glavni razlog za propast toga braka i da je bila “nemoguća nezrela tinejdžerka” kad se udala za Franka. Ipak, sve do Sinatrine smrti ostali su jako dobri prijatelji.