Dopo il divorzio, Mia Farrow intrattenne una lunga relazione, dal 1980 al 1992, con l’attore e regista Woody Allen, il quale riconobbe la paternità, nel 1987, del quarto figlio biologico di Mia, Satchel Ronan O’Sullivan Farrow, conosciuto come Ronan Farrow. La Farrow adottò altri due figli, nel 1980: Moses (nato il 27 gennaio 1978), e Dylan (nata l’11 luglio 1985, che cambiò il suo nome prima in “Eliza” e successivamente in “Malone”). Nel 1992, Mia affermò che Dylan Farrow, che allora aveva sette anni, le aveva raccontato di essere stata vittima di un abuso sessuale da parte di Allen. Poco dopo trovò delle fotografie pornografiche della figlia Soon-Yi, allora di età stimata tra i 19 e i 22 anni, scattate da Allen nel mese di gennaio, in seguito alle quali lo stesso disse di avere una relazione con la figliastra e sostenne che Soon-Yi gli avesse chiesto di farle quelle foto.
Nel 1992 Mia Farrow accusò l’ex compagno Woody Allen di aver molestato sessualmente la figlia adottiva Dylan, al tempo settenne. Il regista si è sempre difeso sostenendo che Dylan sia stata manipolata dalla stessa Farrow, per vendetta, una volta scoperta la sua relazione con Soon-Yi, figlia adottiva maggiore. Il documentario suggerisce inoltre che Allen abbia iniziato il suo rapporto con Soon-Yi quando la ragazza era ancora minorenne.
Dopo il rifiuto di Mia di continuare la relazione con Woody Allen il regista se ne andò con Soon-Yi, che sposerà nel 1997. Nell’agosto 1992 Allen fece causa chiedendo la custodia dei tre figli suoi e della Farrow, sostenendo che la Farrow stesse inventando le accuse di molestia sessuale. Un team composto da un pediatra e da due assistenti sociali incaricati dal tribunale ritenne che l’abuso fosse frutto della fantasia di Dylan o in alternativa un plagio della madre pur individuando degli atteggiamenti anomali di Allen nei confronti della bambina[30], ma il giudice diede l’affido esclusivo a Mia Farrow vietando ad Allen di visitare Dylan. Nel 2014, a 28 anni, Dylan ha ribadito le accuse di violenza sessuale da parte del padre e difeso la madre in una lettera pubblicata sul blog del New York Times. Allen ha risposto negando nuovamente le accuse
Ronan Farrow tramite Twitter ha espresso sostegno per la sorella ironizzando sull’atteggiamento di Hollywood che negli stessi giorni premiava Woody Allen dedicandogli un tributo alla carriera, mentre Moses Farrow, nel frattempo riavvicinatosi ad Allen, accusò invece la madre di maltrattamenti fisici durante la sua infanzia. Tra il 1992 e il 1995, Mia Farrow adottò altri sei bambini: Tam Farrow (una bambina vietnamita cieca nata nel 1979 e morta nel 2000 per insufficienza cardiaca), Quincy Farrow (nata nel 1994), Frankie-Minh (nato nel 1991), Isaiah Justus (nato nel 1992), Thaddeus Wilk Farrow (nato nel 1988 e morto suicida nel 2016) e Gabriel Wilk Farrow, adottato nel 1995 e successivamente chiamato Elliott Wilk. Durante un’intervista per Vanity Fair America nel 2013, la Farrow ha accennato alla possibilità che il padre biologico del figlio Ronan non sia Woody Allen, ma il primo marito Frank Sinatra, a cui rimase legata anche dopo il divorzio. Ronan Farrow ha fatto coming out come omosessuale nell’aprile 2018 ed è divenuto giornalista; ha raccontato per il New Yorker lo scandalo degli abusi sessuali che ha coinvolto Harvey Weinstein e portato alla nascita del movimento #MeToo