Gardner era in visita da sua sorella Beatrice a New York City nell’estate del 1940, quando il marito di Beatrice, Larry Tarr, un fotografo professionista, si offrì di farle un ritratto come regalo per sua madre Molly. Era così soddisfatto del risultato che espose il prodotto finito nella vetrina del suo Tarr Photography Studio sulla Fifth Avenue.
Un impiegato legale della Loews Theatres, Barnard Duhan, notò il ritratto della Gardner nello studio di Tarr. All’epoca, Duhan si fingeva spesso un talent scout della Metro-Goldwyn-Mayer (MGM) per incontrare ragazze, sfruttando il fatto che la MGM era una sussidiaria della Loews. Duhan entrò nello studio di Tarr e cercò di ottenere il numero della Gardner, ma fu respinto dalla receptionist. Duhan fece il commento: “Qualcuno dovrebbe mandare le sue informazioni alla MGM”, e i Tarr lo fecero immediatamente. Poco dopo, la Gardner, che all’epoca era una studentessa dell’Atlantic Christian College, si recò a New York per essere intervistata nell’ufficio di New York della MGM da Al Altman, capo del reparto talenti della MGM di New York. Con le telecamere in funzione, egli ordinò alla diciottenne di camminare verso la telecamera, girarsi e allontanarsi, poi risistemare alcuni fiori in un vaso. Non tentò di registrare la sua voce perché il suo forte accento del sud gli rendeva difficile capirla. Louis B. Mayer, capo della MGM, tuttavia, inviò un telegramma ad Altman: “Non sa cantare, non sa recitare, non sa parlare, è fantastica!” Le fu offerto un contratto standard dallo studio e lasciò la scuola per Hollywood nel 1941, con sua sorella Beatrice ad accompagnarla. Il primo ordine del giorno della MGM fu quello di fornirle un insegnante di conversazione, dato che il suo strascico della Carolina era quasi incomprensibile per loro, e Harriet Lee come insegnante di canto.
La sua prima apparizione in un lungometraggio fu come comparsa nel veicolo di Norma Shearer We Were Dancing (1942). Quindici piccole parti più tardi, riceve il suo primo ingaggio sullo schermo in 3 Men in White (1944), un film del Dr. Kildare in cui porta sua madre all’ospedale per essere curata. Dopo cinque anni di piccole parti, per lo più alla MGM e molte delle quali non accreditate, la Gardner salì alla ribalta nella produzione di Mark Hellinger The Killers (1946), interpretando la femme fatale Kitty Collins.
Altri film notevoli sono The Hucksters (1947), Show Boat (1951), The Snows of Kilimanjaro (1952), Lone Star (1952), Mogambo (1953), The Barefoot Contessa (1954), Bhowani Junction (1956), The Sun Also Rises (1957) e On the Beach (1959). Fuori dalle telecamere, sapeva essere spiritosa e pungente, come nel suo giudizio sul regista John Ford, che diresse Mogambo (“L’uomo più cattivo della terra. Completamente malvagio. Lo adoravo!”). In The Barefoot Contessa, interpretò il ruolo della bella condannata Maria Vargas, una donna fieramente indipendente che passa da ballerina spagnola a star internazionale del cinema con l’aiuto di un regista di Hollywood interpretato da Humphrey Bogart, con conseguenze tragiche. La decisione della Gardner di accettare il ruolo fu influenzata dalla sua abitudine di andare a piedi nudi per tutta la vita. La Gardner interpretò poi il ruolo di Ginevra in Knights of the Round Table (1953), di fronte all’attore Robert Taylor nel ruolo di Sir Lancillotto. A dimostrazione della sua raffinatezza, nei suoi film degli anni ’50 interpretò una duchessa, una baronessa e altre signore di nobile stirpe.
Nel 1960, interpreta il ruolo di Soledad in The Angel Wore Red. Si trova tra Charlton Heston e David Niven in 55 giorni a Pechino (1963), ambientato in Cina durante la ribellione dei Boxer nel 1900. L’anno seguente, interpretò il suo ultimo grande ruolo da protagonista nell’acclamato La notte dell’iguana (1964), basato su una commedia di Tennessee Williams, e interpretato da Richard Burton come un prete ateo e Deborah Kerr come un’artista gentile che viaggia con il suo vecchio nonno poeta. John Huston diresse il film a Puerto Vallarta, Messico, insistendo nel fare il film in bianco e nero – una decisione di cui poi si pentì a causa dei vividi colori della flora. La Gardner fu messa in conto sotto la Burton, ma sopra la Kerr. Fu nominata per un Golden Globe Award come migliore attrice in un film drammatico e un BAFTA Award come migliore attrice protagonista per la sua interpretazione.
Poi apparve di nuovo con Burt Lancaster, il suo co-protagonista di The Killers, questa volta insieme a Kirk Douglas e Fredric March, in Seven Days in May (1964), un thriller su un tentativo di acquisizione militare del governo americano. La Gardner interpretava un ex interesse amoroso di Lancaster che avrebbe potuto essere determinante per Douglas nell’impedire un colpo di stato contro il presidente degli Stati Uniti.
John Huston scelse la Gardner per la parte di Sarah, la moglie di Abramo (interpretata da George C. Scott), nel film di Dino De Laurentiis The Bible: In the Beginning…, che uscì nel 1966. In un’intervista del 1964, parlò del perché avesse accettato il ruolo:
Ha avuto più fiducia in me di quanta ne avessi io stessa. Ora sono contenta di aver ascoltato, perché è un ruolo impegnativo e molto esigente. Comincio come una giovane moglie, ed invecchio attraverso vari periodi, costringendomi ad adattarmi psicologicamente ad ogni età. È una partenza completa per me, e molto intrigante. In questo ruolo, devo creare un personaggio, non solo interpretarlo.
Due anni dopo, nel 1966, la Gardner cercò brevemente il ruolo della signora Robinson in Il laureato (1967) di Mike Nichols. Si dice che abbia chiamato Nichols dicendo: “Voglio vederti! Voglio parlare di questa cosa del Laureato!”. Nichols non la considerò mai seriamente per la parte, preferendo scegliere una donna più giovane (Anne Bancroft aveva 35 anni, mentre la Gardner ne aveva 44), ma visitò il suo hotel, dove, raccontò più tardi, “si sedette a una piccola scrivania francese con un telefono, e passò in rassegna ogni cliché da star del cinema. Disse: ‘Va bene, parliamo del tuo film. Prima di tutto, non mi spoglio per nessuno”.
Gardner si trasferì a Londra nel 1968, sottoponendosi a un’isterectomia elettiva per placare le sue preoccupazioni di contrarre il cancro all’utero che era costato la vita a sua madre. Quell’anno, apparve in Mayerling, in cui interpretò il ruolo secondario dell’imperatrice austriaca Elisabetta d’Austria, di fronte a James Mason nel ruolo dell’imperatore Francesco Giuseppe I.
Apparve in una serie di film catastrofici durante gli anni ’70, in particolare Earthquake (1974) con Heston, The Cassandra Crossing (1976) con Lancaster, e il film canadese City on Fire (1979). Apparve brevemente come Lillie Langtry alla fine di The Life and Times of Judge Roy Bean (1972), e in The Blue Bird (1976). Il suo ultimo film fu Regina Roma (1982). Negli anni ’80, ha recitato principalmente in televisione, incluso il remake della miniserie The Long, Hot Summer e in un arco narrativo in Knots Landing (entrambi del 1985).