W kinie zadebiutowała jako Sandy w komedii kryminalnej Elliota Silversteina The Happening (1967) u boku Anthony’ego Quinna, Michaela Parksa i George’a Maharisa. Za rolę Lou McDowell w dramacie Otta Premingera Szybki zmierzch (Hurry Sundown, 1967) z Jane Fondą i Michaelem Caine’em w rolach głównych była nominowana do Złotego Globu dla najbardziej obiecującej nowej aktorki. Główna rola Bonnie Parker, kelnerki w knajpie w Kansas City, dziewczyny bandyty Clyde’a Barrowa (Warren Beatty), w biograficznym melodramacie kryminalnym Arthura Penna Bonnie i Clyde (1967) otrzymała nagrodę Brytyjskiej Akademii Filmowej, Golden Laurel i David di Donatello oraz nominację do Oscara i Złotego Globu.
Faye Dunaway podejmowała potem złe decyzje obsadowe, żaden z jej kolejnych filmów nie był tak dobry jak Bonnie i Clyde. W filmie Normana Jewisona Sprawa Thomasa Crowna (The Thomas Crown Affair, 1968) zagrała agentkę ubezpieczeniową, Vicki Anderson, która próbuje zdemaskować milionera – złodzieja (Steve McQueen). Na planie włosko-francuskiego melodramatu Vittoria De Siki Kochankowie (Amanti, 1968) romansowała z ikonę włoskiego kina Marcellem Mastroiannim.