È nata ad Upper Darby, un sobborgo di Philadelphia (in Pennsylvania). Dopo la laurea di primo grado in Arte Drammatica, presa alla University of Virginia nel 1992, la Fey si trasferì a Chicago, per poter frequentare i corsi serali della compagnia teatrale The Second City. Nel 1994, fu invitata ad aggregarsi al cast di The Second City, dove si esibì in "Paradigm Lost", una rivista vincitrice del Jeff Award. Durante la sua permanenza a Chicago, la Fey tentò ciò che lei dopo descrisse come un tentativo "dilettantesco" di stand-up comedy. L'attrice è inoltre un veterano delle ImprovOlympic (Olimpiadi dell'Improvvisazione teatrale).
Con l'aiuto del futuro capo-autore Adam McKay, nel 1997 Fey divenne autrice dello show NBC "Saturday Night Live" (SNL). Dal 1999 in poi, divenne la prima donna a capo degli autori della trasmissione, una pietra miliare. Come coautrice capo dello special per i 25 anni del SNL, Fey vinse nel 2001 il Writers Guild of America Award. Lei e lo staff degli autori vinsero anche un Emmy Award nel 2002 per il loro lavoro nello show.
Nel settembre del 2005, andò in maternità per dare alla luce sua figlia, Alice Zenobia Richmond. Il suo ritorno allo show avvenne il 22 ottobre del 2005. Quella fu la sua ultima stagione, dato che da lì in avanti cominciò a sviluppare l'idea di "30 Rock", una sitcom che debuttò nella stagione autunnale 2006 della NBC. Oltre a crearlo, la Fey ne è autrice e interprete. Nel luglio 2007, la Fey fu candidata all'Emmy per la sua interpretazione nella serie. Lo stesso show vinse l'Emmy del 2007. Nel 2008, l'attrice vinse il Golden Globe come miglior attrice in una Commedia o Musical, e uno Screen Actors Guild Award. Per lo stesso ruolo Tina Fey riceve lo Screen Actors Guild Award 2010 come miglior attrice televisiva.
Come ospite ricorrente del Late Night with Conan O'Brien, la Fey aveva una gag che la vedeva pubblicizzare dei film in uscita che nella realtà non esistevano, e sostituiva le clip promesse con contributi filmati che non c'entravano nulla. Tuttavia, nel 2004, fece il suo debutto al cinema con un film di cui era autrice e co-protagonista: "Mean Girls". I personaggi e i loro comportamenti nel film erano basati sulla vita liceale della Fey alla Upper Darby High School e sul saggio "Queen Bees and Wannabes" di Rosalind Wiseman. Il cast includeva alcuni membri del SNL, tra cui Tim Meadows, Ana Gasteyer, e Amy Poehler.
Tina Fey e la collega Amy Poehler furono anche le protagoniste del film "Baby Mama", distribuito il 25 aprile del 2008 e scritto e diretto da Michael McCullers. La trama vede una donna d'affari (Fey) che vuole un figlio ma scopre di avere solo una chance su un milione di rimanere incinta, quindi decide di trovare una madre-surrogato, Angie (Poehler), un'infida white trash. Il film ebbe recensioni positive e negative, incassando oltre 60 milioni di dollari ad oggi.
Nel 2015 è la protagonista del film "Le sorelle perfette" (Sisters), regia di Jason Moore, dov'è ancora al fianco di Amy Poehler. Il film racconta la storia di due sorelle ormai lontane da tempo che si ritrovano insieme a mettere in ordine la stanza della propria infanzia prima che i genitori vendano la casa di famiglia. Sperando di rivivere passati momenti di gloria, decidono di organizzare un'ultima festa per i propri compagni di scuola, una festa in stile liceo, che si trasforma rapidamente in un momento di sfogo catartico di cui un gruppo di adulti frustrati ha davvero bisogno.
Nel 2016 Fey è la protagonista di "Whiskey Tango Foxtrot", adattamento cinematografico di "The Taliban Shuffle: Strange Days in Afghanistan and Pakistan" memorie della giornalista americana Kim Barker sulla sua esperienza in Pakistan e Afghanistan. Per la regia di Glenn Ficarra e John Requa, il film vede nel cast anche Margot Robbie, Martin Freeman, Billy Bob Thornton e Alfred Molina.