Lakonan pentas Grace menarik perhatian Delbert Mann, produser televisyen yang memilihnya berperan sebagai Bethel Maraday dalam drama televisyen. Karier di dunia layar lebar dimulai dengan peran kecil dalam filem Fourteen Hours (1951). Grace waktu itu berusia 20 tahun dan mendapat banyak tawaran main filem, tetapi ditolaknya karena masih ingin bermain teater. Ketika berpentas di Elitch Gardens, Grace menerima telegram dari produser Hollywood Stanley Kramer yang memintanya menjadi lawan main Gary Cooper dalam High Noon (1952). Menurut penulis biografi Wendy Leigh, Grace Kelly waktu itu terlibat asmara dengan dua pria sekaligus, Gary Cooper dan sutradara Fred Zinnemann.

Pada bulan September 1952, Grace diminta MGM untuk terbang ke Los Angeles mengikuti ujibakat peran Linda Nordley dalam filem Mogambo. Peran tersebut jatuh ke tangan Grace dengan tawaran kontrak selama 7 tahun. Grace menerima tawaran kontrak dengan MGM walaupun gaji yang ditawarkan agak rendah ada ketika itu dengan AS$850 seminggu. Sebelum kontrak ditandatangani, Grace mengajukan dua syarat tambahan: setiap dua tahun sekali mendapat cuti setahun untuk pentas di teater, dan boleh tinggal di New York City. Dua bulan sesudahnya, November 1952, Grace bersama pemeran Mogambo yang lain sudah tiba di Nairobi untuk memulai pengambilan gambar. Ketika Grace diwawancara kolumnis Hollywood Hedda Hopper, Grace mengehendaki 3 hal menyenangkan selama syuting Mogambo, John Ford, Clark Gable, dan perjalanan ke Afrika dengan semua biaya ditanggung. Kalau saja Mogambo dibuat di Arizona, saya tidak akan turut serta.[3]

Setelah sukses dengan Mogambo, Grace tampil bersama Jean-Pierre Aumont dalam drama televisyen "The Way of an Eagle" sebelum membintangi filem layar lebar Dial M for Murder. Filem tersebut merupakan adaptasi dari karya Frederick Knott yang telah menjadi masyhur di panggung Broadway dengan Alfred Hitchcock sebagai sutradara. Hitchcock banyak memberi pengarahan sambil mengeksploitasi kecantikan Grace Kelly yang murni di depan kamera. Pemutaran Dial M for Murder dimulai di gedung bioskop pada bulan Mei 1954 dan menjadi box office selain menerima banyak pujian dari pengamat filem.

Grace kembali tampil sebagai lawan main James Stewart dalam filem Hitchcock, Rear Window (1954). Filem selanjutnya adalah bersama Cary Grant dalam karya Hitchcock, To Catch a Thief (1955) yang pengambilan gambarnya dilakukan di Côte d'Azur, Prancis.

Pada tahun 1955, Grace Kelly memenangi piala Oscar untuk kategori Aktris Terbaik dalam filem The Country Girl. Filem terakhirnya High Society (1956) - bikinan semula The Philadelphia Story (1940) - mengandingkan beliau bersama Bing Crosby, Frank Sinatra dan Celeste Holm.[4]