Fernando Casado Arambillet doit sa carrière à la guerre civile espagnole.
Quand celle-ci éclate, Fernando est étudiant en architecture. Il est forcé d'interrompre ses études. Il se tourne alors vers le naissant cinéma espagnol et fait de la figuration dans les premiers films muets de 1936. Il adopte alors le nom de scène "Rey" qui est non seulement le nom de famille de sa mère, mais qui veut aussi dire "roi" en espagnol.
Il obtient ses premiers rôles parlant en 1944 et joue le roi d'Espagne dans le grand succès espagnol Loucura de Amor.
Ce seront plus de 200 films que fera Fernando Rey en Espagne ou ailleurs., au théâtre, à la télé et à la radio. Sa voix était aussi recherchée alors qu'il était doubleur de nombreux films pour la télévision espagnole. Pour 4 versions de Don Quichotte (dont celle d'Orson Welles), Rey doublera 4 fois le fameux anti-héros espagnol à l'image.
En 1954, il incarne magistralement un acteur démotivé dans le film Comicos de Juan Antonio Bardem. Mais il a la nette impression de se jouer lui-même et tombe en dépression pour vrai. Luis Bunuel, qui pourtant deviendra un de ses meilleurs amis, en rajoute en disant qu'il adore comment Rey joue perpétuellement "un corps" dans chacun de ses films. Ça déprime et confirme les doutes de Rey sur lui-même et il mettra du temps à s'en remettre.
Il tourne avec Vadim & Bardot, Bonnard & Leone, dans des westerns en Italie, aux États-Unis et en Espagne.
Son travail avec Luis Bunuel (et Orson Welles) le rendra internationalement connu et désiré. Le Charme Discret de la Bourgeosie rafle l'Oscar du meilleur film en langue étrangère et Rey y excelle. William Friedkin aux États-Unis veut "cet acteur que Bunuel engage tout le temps" pour incarner son méchant dans The French Connection. Il faisait référence à Francisco Rabal, mais son chef de casting se trompe et lui fourni Fernando Rey. Ça rapportera gros à tous. Le film sera largement Oscarisé et la performance de Rey n'y sera pas étrangère.
Dans les années 70 et 80, Rey joue ou fait des caméos pour Lewis Gilbert, Mauro Bolognini, Vincente Minnelli, Valerio Zurlini, Robert Altman, J.Lee Thompson, Frank Perry et Carlos Saura. Pour ce dernier film, il récolte le prix d'interprétation à Cannes, Pour un film de 1976, il reçoit une fortune pour un rôle (une présence) qui lui demande 6 heures de travail. En 1971, il récolte le prix d'interprétation masculine au Festival International de San Sebastian pour un film de Rafael Gil.
Il est aussi brillant dans Seven Beauties de Lina Wertmüller.
À partir de 1985, Fernando Rey se fait vieux (il a plus de 60 ans) et il choisit de retourner vivre en Espagne. En 1960, il avait épousé l'actrice argentine Mabel Karr avec laquelle il a passé toute sa vie.
Sa vie s'éteint le 9 mars 1994, quand le cancer a raison de lui à Madrid. Il avait 76 ans.
Vivant, il aurait aujourd'hui 98 ans.