Уже в школьные годы Грейс попробовала, что такое быть актрисой. В 12 лет она впервые появилась на сцене в главной роли в постановке «Не корми зверей» и далее, в течение нескольких лет, состояла в труппе «Лицедеев старой школы». Получив среднее образование, нужно было решить, чем заниматься дальше. Склонности к точным наукам у девушки явно не наблюдалось и 18-летняя Грейс, превратившись из неуклюжего «гадкого утенка» в, решила связать свою жизнь со сценой. Поступить в Американскую академию драматического искусства Грейс помогло родство с Джорджем Келли. Ее дядя был известным драматургом, сценаристом, режиссером и обладателем Пулитцеровской премии за драматическую пьесу «Жена Крейга». Келли не подвела именитого родственника, она прошла прослушивание и осенью 1947 года поступила на обучение в Академию.

Грейс хотела быть самостоятельной: успешно работала моделью, чтобы оплачивать учебу, и жила в Нью-Йорке в женском отеле Барбизон 63, куда мужчинам вход после 10 часов вечера строго-настрого воспрещен. В числе ранних театральных работ молодой актрисы – дебют в бродвейской постановке шведского драматурга Августа Стриндберга «Отец», в комедии «Филадельфийская история». В 1948 году Грейс появляется в нескольких проектах на телевидении, а к 1953 году она становится настоящей звездой телесериалов («Телевизионный театр Крафта», «Актерская студия», «Большой город», «Саспенс», «Зал славы Hallmark» и др.), а затем снимается и в большом кино. В 1951 году Келли играет небольшую роль в картине «Четырнадцать часов», но ее персона не была удостоена особого внимания, а игра не получила восторженных откликов. Актриса продолжает работать в театре и на ТВ. В 1951 году, когда Грейс находилась на гастролях в Колорадо, она получила приглашение от продюсера Стэнли Крамера пройти пробы на роль в картине «Ровно в полдень». Этот оскароносный фильм, в котором в главных ролях были задействованы Грейс и Гэрри Купер, стал переломным моментом в кинокарьере актрисы.

Пробы к этой картине позднее увидел Хичкок и впереди Грейс ожидал грандиозный успех. Предложения на новые роли стали поступать постоянно. В 1953 году Келли появилась в картине «Могамбо», роль Линды в котором принесла ей «Золотой глобус» за лучшую второстепенную женскую роль и номинацию на «Оскар» как лучшей актрисе второго плана. В 1954 году актриса появляется в двух фильмах Альфреда Хичкока: триумфально успешном «В случае убийства набирайте «М» и «Окно во двор».

В этом же году вышла картина «Деревенская девушка», которая в 1955 году принесла актрисе «Оскар» за лучшее исполнение женской роли.  Однако не все проекты были столь успешными – в этом же 1954 году с участием Грейс вышел фильм «Зеленый огонь». Картина не имела коммерческого успеха и получила отрицательные отзывы критиков. Еще один фильм, в котором появилась актриса в 1954 году – «Мосты у Токо-Ри». После напряженной работы в нескольких проектах Грейс вылетела во Францию, чтобы работать в третьем и последнем для нее фильме Хичкока – «Поймать вора» с Кэри Грантом.

В 1956 году актриса появляется в двух картинах – «Лебедь» и «Высшее общество». В 1977 году в последний раз предстает перед зрителями в роли рассказчика в документальной ленте «The Children of Theatre Street». 13 сентября 1982 года Грейс была за рулем собственного автомобиля – она и дочь Стэфани следовали в Монако. Внезапно случившийся инсульт привел к страшной автомобильной катастрофе, в результате которой принцесса Стэфани получила серьезные травмы, Грейс скончалась в больнице на следующий день, не приходя в сознание. В 2012 году стало известно о том, что, и  Грейс Келли.