Nascida como Gloria Hallward, filha de um arquiteto e de uma atriz (Jean Grahame). Desde jovem se desinteressou pelos estudos e resolveu seguir a carreira artística. Estreou em 1944 na Broadway e logo depois assinou um contrato com a MGM, tendo conquistado o público em 1946 com o filme "A Felicidade não Se Compra".

Da MGM foi para a RKO onde fez "No Silêncio da Noite", que lhe garantiu o Oscar de melhor atriz coadjuvante.

Gloria casou-se quatro vezes: a primeira com o ator Stanley Clements; a segunda com o cineasta Nicholas Ray; a terceira com outro cineasta, Cy Howard e seu último marido foi o ator Anthony Ray filho de Nicholas Ray portanto seu entiado. Segundo biografias recentes, Nicholas Ray teria surpeendido na cama Anthony Ray e Gloria Grahame. Na época, Anthony Ray tinha apenas 13 anos.

Seu último trabalho no cinema foi em 1981, no filme "The Nesting" e seus filmes mais significativos foram: "A Felicidade não Se Compra"; "No Silêncio da Noite"; "Assim Estava Escrito"; "O Maior Espetáculo da Terra" e "Desejo Humano".

Em março de 1974, Grahame foi diagnosticada com câncer de mama. Ela foi submetida a tratamento de radiação, mudou sua dieta, parou de fumar e beber álcool e também buscou remédios homeopáticos. Em menos de um ano, o câncer entrou em remissão. O câncer voltou em 1980, mas Grahame se recusou a reconhecer o seu diagnóstico ou procurar tratamento por radiação. Apesar de sua saúde debilitada, Grahame continuou a trabalhar em produções teatrais nos Estados Unidos e no Reino Unido. Enquanto trabalhava em Londres, em setembro de 1981, ela se submeteu a tratamento para eliminar o excesso de líquido de seu abdômen. Durante o procedimento, o médico acidentalmente perfurou seu intestino. Ela logo desenvolveu peritonite e foi hospitalizado. Depois de ser notificado da doença dois de seus filhos, Timóteo e Paulette, viajaram para Londres e decidiram levá-la de volta para os Estados Unidos.

Em 05 de outubro de 1981, Grahame voltou para os Estados Unidos, onde foi internada no Hospital St. Vincent, em New York City. Ela morreu há algumas horas mais tarde na idade de 57 anos. Ela foi enterrada no Oakwood Memorial Park Cemetery em Chatsworth, Califórnia.
Por sua contribuição à indústria do cinema, Gloria Grahame tem uma estrela no Hollywood Walk of Fame em 6522 Hollywood Boulevard.

Cônjuge: Anthony Ray (de 1960 a 1974), Cy Howard (de 1954 a 1957), Nicholas Ray (de 1948 a 1952), Stanley Clements (de 1945 a 1948)
Filhos: Marianna Paulette Howard, Timothy Ray, Anthony Ray Jr., James Ray
Pais: Jeanne McDougall, Reginald Michael Bloxam Hallward
Irmã: Joy Hallward