Annesinin (tiyatro oyuncusu ve öğretmen Jean Grahame) oyunculuk öğrencisi olan Gloria Grahame Hallward, henüz lisedeyken profesyonel olarak oyunculuk yapmaya başladı. 1944 yılında Louis B. Mayer onu Broadway'de gördü ve Gloria Grahame adıyla MGM ile sözleşme imzaladı. Blonde Fever (1944) filmindeki başrolüyle ilk çıkışını yaptı, ancak kamuoyunda ilk tanınması Şahane Hayat (1946). Yeteneği ve cinsel çekiciliği yıldız kalitesinde olmasına rağmen, MGM'deki yıldız kalıbına uymadı ve 1947'de sözleşmesini RKO'ya sattı. Burada da aynı sorun yeniden ortaya çıktı; bu yıllardaki en iyi filmi ödünç olarak çekilen Tehlike işareti (1950) oldu. Kısa süre sonra RKO'dan ayrıldı. En iyi dönemi olan 1950'ler ona En İyi Yardımcı Kadın Oyuncu Oscar'ını getirdi ve yedi ünlü film-noir klasiğinde gölgeli, taklit edilemez derecede boğucu kadınları canlandırdı.1955'te Oklahoma! setinde birlikte çalışmanın zor olduğu söylentileri, 1956'dan itibaren film kariyerini bir kenara bırakmasına yardımcı oldu. Ayrıca evlilik ve çocuk velayeti sorunlarından da muzdaripti. Kendisinden 12 yaş büyük Nicholas Ray'den boşandıktan sekiz yıl sonra (ve söylendiğine göre onu 13 yaşındaki oğluyla yatakta yakalamıştı) ve ardından Cy Howard'la yaptığı evlilik boşanmayla sonuçlandıktan sonra, 1960'ta eski üvey oğlu Anthony Ray'le evlendi (kendisinden neredeyse 14 yaş küçüktü.) Bu durum eski kocaları Nicholas Ray ve Cy Howard'ın Grahame'a dava açmasına yol açtı; her iki adam da kendi çocuğunun velayetini isteyerek dedikodu köşe yazarlarını ve skandal sayfalarını harekete geçirdi. Yaşadığı stresin sinir krizine yol açmasının ardından Grahame elektrokonvülsif terapi gördü. Ancak şaşırtıcı bir şekilde Grahame ve Anthony "Tony" Ray mutlu bir çift olduklarını kanıtladılar. Bu birliktelik Grahame'ın en uzun evliliği olacak ve neredeyse 14 yıl sürecekti (Ray'in babasıyla olan önceki birlikteliğinden 10 yıl daha uzun); çiftin Anthony Jr. ve James adında iki çocuğu oldu.1960 yılında Grahame sahne oyunculuğuna devam etti, TV çalışmaları ve 1970 yılından itibaren çoğunlukla düşük kaliteli bazı filmlerle birlikte. Ciddi, yetenekli bir oyuncu; spontane, dürüst ve iradeli; yaratıcı ve meraklı; inanılmaz derecede seksi ama görünüşü konusunda güvensiz (ünlü dudaklarına estetik ameliyat yapılmasına neden oldu); takdir eden erkek arkadaşlarını seven; "biraz kaçık" olarak tanımlandı. 1975 yılında göğüs kanseri tedavisi gördü. Beş yıl sonra kendisine yeniden kanser teşhisi kondu, ancak bunun yeni bir kanser mi yoksa meme kanserinin metastazı mı olduğu belirsizdi. Grahame sonunda 1978 yılında İngiltere'ye taşındı. İngiliz ve Amerikan sahne çalışmalarındaki en yoğun dönemi, 1981'de bir prova sırasında kanser semptomları nedeniyle yere yığılmasıyla aniden sona erdi. Kendisinden neredeyse 30 yaş küçük olan partneri Peter Turner ile Liverpool'da kalmak istedi, ancak Turner çocuklarına sağlık durumunu ve yaklaşan ölümünü bildirdikten sonra, iki çocuğu onu almak için İngiltere'ye uçtu ve Amerika Birleşik Devletleri'ne dönmesi konusunda ısrar etti. Aynı gün birkaç saat sonra Manhattan'daki St Vincent Hastanesinde mide kanseri ve peritonit nedeniyle 5 Ekim 1981'de 57 yaşında öldü.