В религиозном колледже Рейнхилл Грейс получила строгое католическое образование. Именно там в шестилетнем возрасте она впервые вышла на сцену в роли Девы Марии в театрализованном рождественском представлении. Перебравшись в Нью-Йорк, Келли стала работать фотомоделью и параллельно изучала актёрское мастерство в Американской академии драматического искусства. Она пробовалась на множество ролей в разнообразных пьесах, но получала лишь контракты на рекламу - от сигарет и пива до шляп и пылесосов. Дебютировала на Бродвее в 1949 году в спектакле по пьесе Стриндберга «Отец», а в 1951 сыграла небольшую роль в ленте «Четырнадцать часов» (Fourteen Hours).

Главная женская роль в следующем фильме, классическом вестерне Фреда Циннеманна «Ровно в полдень» (High Noon, 1952), и номинация на «Оскар» за роль второго плана в приключенческой драме Джона Форда «Могамбо» (Mogambo, 1953) сделали ее самой яркой восходящей звездой Голливуда. Она получила «Оскар» в следующем году за главную роль в фильме «Деревенская девушка» (The Country Girl), в котором отказалась от романтического образа и сыграла простую женщину. Альфред Хичкок увидел в ней свою идеальную героиню, совмещающую холодную аристократическую красоту со скрытой чувственностью, и снял ее подряд в трех фильмах.

В начале 1955 года Грейс приехала в Канны, чтобы представить фильм "Поймать вора" европейским зрителям. принц Ренье не упустил возможности встретиться с ней. 18 апреля 1956 года голливудская актриса стала принцессой Монако...

Ее последними фильмами были мюзикл «Высшее общество» (High Society, 1956) и романтическая комедия «Лебедь» (The Swan, 1956). После королевской свадьбы в Монако она по требованию мужа закончила свою карьеру в кино.

Погибла в автокатастрофе при невыясненных обстоятельствах 14 сентября 1982 года.