Глория Грэм, урождённая Холворд, родилась 28 ноября 1923 года в Лос-Анджелесе. Её отец, Рэджинальд Майкл Блоксам Холворд, потомок короля Эдуарда III, был архитектором. Её мать, Джинни МакДугол, была британской актрисой, известной на родине под псевдонимом Джин Грэм. Она же была первой учительницей актёрского мастерства для Глории, став для неё и наставницей и примером.
Кинокарьера Глории Грэм началась в 1944 году, после того, как её заметил соучредитель компании «MGM» Луис Б. Майер, во время её бродвейского выступления. Первого большого успеха Грэм добилась в 1946 году после выхода на экраны фильма «Эта прекрасная жизнь». Спустя год актриса покинула «MGM» и подписала контракт с «RKO». В 1947 году за роль в фильме «Перекрестный огонь» она была номинирована на «Оскар» как «Лучшая актриса второго плана». В 1950 году Глория Грэм получила хорошие отзывы за роль Лорел Грэй в нуаре своего будущего мужа «В укромном месте», а в 1952 году стала обладательницей премии «Оскар» за роль Розмари Бартлоу в фильме Винсента Миннелли «Злые и красивые».
В дальнейшем актриса снялась в таких фильмах, как «Сильная жара» (1953), «Не как чужой» (1955), «Оклахома!» (1955) и других. К концу 1950-х Глория Грэм постепенно стала возвращаться на театральную сцену, потому что из-за её тяжёлого характера многие режиссёры не хотели брать её в свои картины. В 1960—1970-е годы она в основном играла в театре, либо работала на телевидении, довольствуясь при этом лишь редкими незначительными ролями в кино. За свой вклад в киноиндустрию Глория удостоена звезды на Голливудской аллее славы по Голливуд-бульвар 6522.
Актриса четыре раза была замужем. Её супругами были Стэнли Клементс (1945—1948), режиссёр Николас Рэй (1948—1952, 1 ребёнок), Си Ховард (1954—1957, тоже 1 ребёнок), сын второго мужа Энтони Рэй (1960—1974, двое детей), но каждый брак заканчивался разводом.
В 1981 году Глория Грэм потеряла сознание и упала прямо на репетиции во время своих британских выступлений. Вскоре она была отправлена в Нью-Йорк, где у ней диагностировали рак груди. 5 ноября 1981 года в возрасте 57 лет Глория Грэм скончалась. Её похоронили на мемориальном кладбище в пригороде Лос-Анджелеса.