Gloria Grahame was de dochter van een industrieel ontwerper en een gewezen actrice.  Ze was pas negen jaar toen ze voor het eerst te zien was in een toneelstuk van het Pasadena Community Playhouse maar nam ook deel aan het toneel van de Hollywood High School.

In 1943 maakte ze als Gloria Hallward haar Broadway-debuut en kreeg het jaar daarop al een contract aangeboden door MGM.  Ze bleef een weinig opvallende actrice tot ze te zien was anno 1950 in In a Lonely Place, geregisseerd door haar toenmalige echtgenoot Nicholas Ray.  Haar carrière bereikte in de eerste helft van de jaren ’50 een hoogtepunt.  Haar rol van Debby in The Big Heat van Fritz Lang was één van haar betere vertolkingen.

Hierna ging het bergaf met haar carrière en eind de jaren ’50 zei Grahame de film even vaarwel.  Bij haar terugkeer deed ze enkel nog rollen in low budget films.

Grahame trouwde vier keer, naast Nicholas Ray (1948 – 1952) waren ook acteur Stanley Clements (1945-1948) en regisseur Cy Howard (1954-1957) ooit haar echtgenoot.  Ze stierf aan kanker.