Mary Elle Fanning est la fille de Joy (née Arrington), joueuse de tennis professionnelle, et de Steve Fanning, ancien joueur de baseball pour l'équipe les Cardinals de Saint-Louis et actuel vendeur en matériels électroniques à Los Angeles. Son grand-père maternel est le joueur de football Rick Arrington, et sa tante la reporter Jill Arrington pour ESPN, chaîne de télévision dédiée au sport1.
Elle est la sœur de Dakota Fanning, également actrice. Sa famille et elle-même sont membres de la Convention baptiste du Sud.
Elle pratique la danse classique et prend des cours de piano. Au magazine Phosphore, elle confie ainsi : « Je suis des cours de ballet. Cinq fois par semaine. J’adore ça. » et glisse : « Je prends aussi des cours de chant. Et j’adore écrire. J’invente des histoires, des nouvelles. J’ai écrit un scénario pour un film quand j’avais 8 ans. Mais quand je serai plus grande, j’en écrirai un autre et je le réaliserai. J’adorerai ça.
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