Gardner visitou a sua irmã Beatrice em Nova Iorque no Verão de 1940, quando o marido de Beatrice Larry Tarr, um fotógrafo profissional, se ofereceu para levar o seu retrato como presente para a sua mãe Molly. Ele ficou tão satisfeito com os resultados que expôs o produto acabado na janela da frente do seu estúdio de fotografia Tarr na Quinta Avenida.
Um escriturário jurídico do Loews Theatres, Barnard Duhan, viu o retrato de Gardner no estúdio de Tarr. Na altura, Duhan fez-se frequentemente passar por um caça-talentos da Metro-Goldwyn-Mayer (MGM) para conhecer raparigas, utilizando o facto de que a MGM era uma subsidiária de Loews. Duhan entrou no estúdio de Tarr e tentou obter o número de Gardner, mas foi rejeitado pela recepcionista. Duhan fez o comentário, “Alguém devia enviar a sua informação à MGM”, e a Tarrs fê-lo imediatamente. Pouco tempo depois, Gardner, que na altura era estudante no Atlantic Christian College, viajou para Nova Iorque para ser entrevistado no escritório da MGM em Nova Iorque por Al Altman, chefe do departamento de talentos da MGM em Nova Iorque. Com as câmaras a rodar, orientou o jovem de 18 anos a caminhar em direcção à câmara, virar e afastar-se, depois reorganizar algumas flores num vaso. Não tentou gravar a sua voz porque o seu forte sotaque sulista dificultou-lhe a compreensão. Louis B. Mayer, chefe da MGM, contudo, enviou um telegrama a Altman: “Ela não sabe cantar, não sabe actuar, não sabe falar, ela é fantástica”! Foi-lhe oferecido um contrato padrão pelo estúdio e deixou a escola para Hollywood em 1941, com a sua irmã Beatrice a acompanhá-la. A primeira ordem de trabalhos da MGM foi fornecer-lhe um treinador de voz, uma vez que o seu desenho de Carolina era quase incompreensível para eles, e Harriet Lee como sua professora de canto.
A sua primeira aparição num longa-metragem foi como um passeio no veículo Norma Shearer We Were Dancing (1942). Quinze partes de bits depois recebeu a sua primeira facturação no ecrã em 3 Homens de Branco (1944), um filme do Dr. Kildare no qual traz a sua mãe ao hospital para tratamento. Após cinco anos de peças mordidas, na sua maioria na MGM e muitas delas não acreditadas, Gardner ganhou destaque na produção de Mark Hellinger The Killers (1946), interpretando a fêmea fatale Kitty Collins.
Outros filmes notáveis são The Hucksters (1947), Show Boat (1951), The Snows of Kilimanjaro (1952), Lone Star (1952), Mogambo (1953), The Barco Descalço (1954), Bhowani Junction (1956), The Sun Also Rises (1957) e On the Beach (1959). Fora da câmara, ela podia ser espirituosa e incisiva, como na sua avaliação do director John Ford, que dirigiu Mogambo (“O homem mais malvado do mundo. Completamente malvado. Adorei-o!”). Em The Barefoot Contessa, desempenhou o papel da beleza condenada Maria Vargas, uma mulher ferozmente independente que vai de bailarina espanhola a estrela de cinema internacional com a ajuda de um realizador de Hollywood interpretado por Humphrey Bogart, com trágicas consequências. A decisão de Gardner de aceitar o papel foi influenciada pelo seu próprio hábito de andar descalça durante toda a vida. Gardner desempenhou então o papel de Guinevere em Knights of the Round Table (1953), o actor oposto Robert Taylor como Sir Lancelot. Indicativa da sua sofisticação, ela retratou uma duquesa, uma baronesa e outras senhoras de nobre linhagem nos seus filmes dos anos 50.
Em 1960, desempenhou o papel de Soledad em The Angel Wore Red. Foi facturada entre Charlton Heston e David Niven durante 55 dias em Pequim (1963), que se estabeleceu na China durante a Rebelião de Boxer em 1900. No ano seguinte, desempenhou o seu último papel principal na aclamada crítica The Night of the Iguana (1964), baseada numa peça do Tennessee Williams, e estrelada por Richard Burton como clérigo ateu e Deborah Kerr como artista gentil viajando com o seu velho avô poeta. John Huston realizou o filme em Puerto Vallarta, México, insistindo em fazer o filme a preto e branco – uma decisão que mais tarde lamentou devido às cores vívidas da flora. Gardner recebeu a facturação abaixo de Burton, mas acima de Kerr. Foi nomeado para um Prémio Globo de Ouro para Melhor Actriz num filme – Drama e Prémio BAFTA para Melhor Actriz num Papel de Líder pela sua actuação.
A próxima apareceu novamente com Burt Lancaster, a sua co-estrela de The Killers, desta vez juntamente com Kirk Douglas e Fredric March, em Seven Days in May (1964), um thriller sobre uma tentativa de aquisição militar do governo dos EUA. Gardner interpretou um antigo interesse amoroso de Lancaster que poderia ter sido fundamental para que Douglas impedisse um golpe contra o Presidente dos Estados Unidos.
John Huston escolheu Gardner para o papel de Sarah, a esposa de Abraham (interpretado por George C. Scott), no filme A Bíblia de Dino De Laurentiis: No Início…, que foi lançado em 1966. Numa entrevista de 1964, ela falou sobre a razão porque aceitou o papel:
Ele tinha mais fé em mim do que eu próprio. Agora estou contente por ter ouvido, pois é um papel desafiante e muito exigente. Comecei como uma jovem esposa, e envelheci durante vários períodos, forçando-me a adaptar psicologicamente a cada idade. É uma partida completa para mim, e muito intrigante. Neste papel, tenho de criar uma personagem, e não apenas desempenhar um.
dois anos depois, em 1966, Gardner procurou brevemente o papel da Sra. Robinson em O Graduado de Mike Nichols (1967). Ela terá chamado Nichols e disse: “Quero ver-te! Quero falar sobre esta coisa do The Graduate”! Nichols nunca a considerou seriamente para o papel, preferindo fazer o elenco de uma mulher mais jovem (Anne Bancroft tinha 35 anos, enquanto Gardner tinha 44), mas ele visitou o hotel dela, onde mais tarde relatou, “ela sentou-se numa pequena secretária francesa com um telefone, ela passou por todos os clichés de estrelas de cinema. Ela disse: “Muito bem, vamos falar sobre o seu filme”. Em primeiro lugar, não me despojo de ninguém””
Gardner mudou-se para Londres em 1968, passando por uma histerectomia electiva para acalmar as suas preocupações de contrair o cancro uterino que tinha reclamado a vida da sua mãe. Nesse ano, ela apareceu em Mayerling, no qual desempenhou o papel de suporte da imperatriz austríaca Isabel da Áustria, em frente a James Mason como Imperador Franz Joseph I.
A artista apareceu numa série de filmes de catástrofes ao longo da década de 1970, nomeadamente o Terramoto (1974) com Heston, The Cassandra Crossing (1976) com Lancaster, e o filme canadiano City on Fire (1979). Apareceu brevemente como Lillie Langtry no final de The Life and Times of Judge Roy Bean (1972), e em The Blue Bird (1976). O seu último filme foi Regina Roma (1982). Na década de 1980, actuou principalmente na televisão, incluindo o remake da minissérie The Long, Hot Summer e num arco de histórias em Knots Landing (ambos em 1985).