Figlia di una nota attrice teatrale e insegnante di recitazione, Gloria Grahame non ebbe difficoltà a intraprendere una prestigiosa carriera di attrice sui palcoscenici di Broadway[3]. Nel 1944 firmò un contratto in esclusiva con la MGM[4] e si mise in evidenza con ruoli di bionda e sensuale tentatrice, capace di irretire con il suo fascino anche personaggi maschili miti come il George Bailey (James Stewart) de La vita è meravigliosa (1946) di Frank Capra[3]. L'anno dopo ottenne la prima nomination agli Oscar come miglior attrice non protagonista per il ruolo di Ginny Tremaine in Odio implacabile (1947), ma a vincere fu Celeste Holm per Barriera invisibile.
Il film che la mise in luce fu però il noirIl diritto di uccidere (1950), diretto dall'allora marito Nicholas Ray, con cui inaugurò una lunga galleria di personaggi di "bad girls" con drammatici conflitti interiori, che l'attrice interpretò durante gli anni cinquanta[3].
Per Il bruto e la bella (1952) vinse un Oscar alla miglior attrice non protagonista per il ruolo di Rosemary Bartlow, la volubile e civettuola moglie di uno scrittore. Nello stesso anno interpretò la bellissima Angela, un'artista circense, ne Il più grande spettacolo del mondo e l'ambigua Irene in So che mi ucciderai. L'anno dopo offrì l'indimenticabile interpretazione della vulnerabile e disperata prostituta Debbie nel noirIl grande caldo (1953) di Fritz Lang[5], il cui volto viene sfigurato e rappresenta la doppia natura del personaggio, una donna perduta che si riscatta per amore del poliziotto interpretato da Glenn Ford[3].
Nel successivo La bestia umana (1954), sempre diretto da Fritz Lang, la Grahame diede un'altra grande prova nei panni di un'equivoca seduttrice, ruolo che era già stato di Simone Simon ne L'angelo del male (1938) di Jean Renoir[5]. Il suo ultimo vero grande personaggio fu quello di una moglie nevrotica nel melodramma La tela del ragno (1955) di Vincente Minnelli, mentre la partecipazione al musical Oklahoma! (1956) chiuse praticamente la stagione d'oro dell'attrice[3].
Dagli anni sessanta la carriera della Grahame fu discontinua e complicata da alterne vicende personali[3], aggravate da trascurati problemi di salute. Nel marzo del 1974 le fu diagnosticato un cancro al seno. La Grahame si sottopose subito alla radioterapia, cambiò dieta, smise di fumare e bere alcolici e si rivolse anche a cure omeopatiche. In meno di un anno il cancro andò in remissione, ma si ripresentò nel 1980, allorché la Grahame rifiutò di riconoscere la diagnosi e di sottoporsi nuovamente alla radioterapia. Nonostante la malattia, Grahame continuò a lavorare in produzioni teatrali negli Stati Uniti e nel Regno Unito, vivendo per qualche tempo a Liverpool. Mentre lavorava a Londra nel settembre 1981 si sottopose a un trattamento per rimuovere il liquido in eccesso nell'addome, ma durante la procedura il medico accidentalmente le forò l'intestino causandole una peritonite. Dopo essere stati informati dell'accaduto, i suoi figli Timothy e Paulette si recarono a Londra e decisero di portare la madre di nuovo negli Stati Uniti, dove nell'ottobre del 1981 fu ricoverata all'ospedale St. Vincent a New York City. Morì un paio di ore dopo il ricovero, all'età di 57 anni[6]. È sepolta nel Oakwood Memorial Park Cemetery a Chatsworth, in California.