Gardner odwiedzała swoją siostrę Beatrice w Nowym Jorku latem 1940r, kiedy mąż Beatrice, Larry Tarr, profesjonalny fotograf, zaoferował się zrobić jej portret jako prezent dla jej matki Molly. Był tak zadowolony z rezultatów, że wystawił gotowy produkt w oknie swojego studia Tarr Photography Studio na Piątej Alei.
Pracownik prawny Loews Theatres, Barnard Duhan, zauważył portret Gardnera w studiu Tarra. W tym czasie Duhan często podawał się za łowcę talentów Metro-Goldwyn-Mayer (MGM), aby poznać dziewczyny, wykorzystując fakt, że MGM było spółką zależną Loews. Duhan wszedł do studia Tarra i próbował zdobyć numer Gardnera, ale został odrzucony przez recepcjonistkę. Duhan skomentował to słowami: „Ktoś powinien wysłać jej informację do MGM”, co Tarrowie natychmiast uczynili. Niedługo potem Gardner, która w tym czasie była studentką Atlantic Christian College, pojechała do Nowego Jorku, gdzie w nowojorskim biurze MGM Al Altman, szef nowojorskiego działu talentów MGM, przeprowadził z nią wywiad. Podczas nagrywania kamer, Al Altman kazał 18-latce iść w kierunku kamery, odwrócić się i odejść, a następnie ułożyć kwiaty w wazonie. Nie próbował nagrywać jej głosu, ponieważ jej silny południowy akcent utrudniał mu zrozumienie. Louis B. Mayer, szef MGM, wysłał jednak do Altmana telegram: „Ona nie umie śpiewać, nie umie grać, nie umie mówić, jest wspaniała!”. Studio zaproponowało jej standardowy kontrakt i w 1941 roku wyjechała ze szkoły do Hollywood, a towarzyszyła jej siostra Beatrice. Pierwszym zadaniem MGM było zapewnienie jej trenera mowy, jako że jej Carolina drawl była dla nich prawie niezrozumiała, oraz Harriet Lee jako nauczycielki śpiewu.
Jej pierwszym występem w filmie fabularnym była rola w filmie Normy Shearer We Were Dancing (1942). Piętnaście bit parts później otrzymała swój pierwszy ekran rozliczeniowy w 3 Men in White (1944), film Dr Kildare, w którym przynosi swoją matkę do szpitala na leczenie. Po pięciu latach grania drobnych ról, głównie w MGM i wielu z nich bez akredytacji, Gardner stała się sławna w produkcji Marka Hellingera The Killers (1946), grając femme fatale Kitty Collins.
Inne godne uwagi filmy to 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) i On the Beach (1959). Poza kamerą potrafiła być dowcipna i dosadna, jak w swojej ocenie reżysera Johna Forda, który wyreżyserował Mogambo („Najwredniejszy człowiek na ziemi. Całkowicie zły. Uwielbiam go!”). W The Barefoot Contessa wcieliła się w rolę skazanej na zagładę piękności Marii Vargas, zaciekle niezależnej kobiety, która z pomocą hollywoodzkiego reżysera granego przez Humphreya Bogarta przechodzi drogę od hiszpańskiej tancerki do międzynarodowej gwiazdy filmowej, co ma tragiczne konsekwencje. Na decyzję Gardner o przyjęciu tej roli wpłynął jej własny życiowy nawyk chodzenia boso. Następnie Gardner zagrała rolę Ginewry w filmie Rycerze Okrągłego Stołu (1953), u boku aktora Roberta Taylora jako Sir Lancelota. W swoich filmach z lat 50. Gardner wcielała się w księżną, baronową i inne damy szlachetnego rodu, co świadczy o jej wyrafinowaniu.
W 1960 roku zagrała rolę Soledad w The Angel Wore Red. Była rozliczana między Charltonem Hestonem i Davidem Nivenem za 55 Days at Peking (1963), którego akcja rozgrywała się w Chinach podczas powstania bokserów w 1900 roku. W następnym roku zagrała swoją ostatnią główną rolę w docenionym przez krytykę filmie Noc iguany (1964), opartym na sztuce Tennessee Williamsa, z Richardem Burtonem w roli ateistycznego duchownego i Deborah Kerr jako delikatną artystką podróżującą z dziadkiem-poetą. John Huston wyreżyserował film w Puerto Vallarta w Meksyku, nalegając, by nakręcić go w czerni i bieli – decyzji, której później żałował z powodu żywych kolorów flory. Gardner otrzymała rolę poniżej Burtona, ale powyżej Kerr. Za swoją kreację otrzymała nominację do Złotego Globu dla najlepszej aktorki w filmie dramatycznym oraz do nagrody BAFTA dla najlepszej aktorki pierwszoplanowej.
Następnie wystąpiła ponownie z Burtem Lancasterem, jej współgwiazdą z filmu The Killers, tym razem wraz z Kirkiem Douglasem i Fredriciem Marcem, w Siedmiu dniach maja (1964), thrillerze o próbie wojskowego przejęcia rządu USA. Gardner zagrała byłą miłość Lancastera, która mogła być kluczowa dla Douglasa w zapobieganiu zamachowi stanu przeciwko prezydentowi Stanów Zjednoczonych.
John Huston wybrał Gardner do roli Sary, żony Abrahama (granej przez George’a C. Scotta), w filmie Dino De Laurentiisa Biblia: Na początku…, który wszedł na ekrany kin w 1966 roku. W wywiadzie z 1964 roku mówiła o tym, dlaczego przyjęła tę rolę:
Miał we mnie więcej wiary niż ja sama. Teraz cieszę się, że go posłuchałam, bo to rola trudna i bardzo wymagająca. Zaczynam jako młoda żona i przechodzę różne okresy, co zmusza mnie do psychicznego dostosowania się do każdego wieku. Jest to dla mnie zupełna odmiana i bardzo intrygująca. W tej roli muszę stworzyć postać, a nie tylko ją zagrać.
Dwa lata później, w 1966 roku, Gardner krótko starała się o rolę pani Robinson w Absolwencie Mike’a Nicholsa (1967). Podobno zadzwoniła do Nicholsa i powiedziała: „Chcę się z tobą zobaczyć! Chcę porozmawiać o tym Graduate thing!”. Nichols nigdy nie brał jej poważnie pod uwagę do tej roli, wolał obsadzić młodszą kobietę (Anne Bancroft miała 35 lat, Gardner 44), ale odwiedził jej hotel, gdzie jak później wspominał, „siedziała przy małym francuskim biurku z telefonem, przeszła przez wszystkie stereotypy gwiazdy filmowej. Powiedziała: 'W porządku, porozmawiajmy o twoim filmie. Po pierwsze, nie rozbieram się dla nikogo.”
Gardner przeprowadziła się do Londynu w 1968 roku, poddając się histerektomii, aby rozwiać swoje obawy przed zachorowaniem na raka macicy, który odebrał życie jej matce. W tym samym roku wystąpiła w filmie Mayerling, w którym zagrała drugoplanową rolę austriackiej cesarzowej Elżbiety, naprzeciwko Jamesa Masona jako cesarza Franciszka Józefa I.
W latach 70. wystąpiła w wielu filmach katastroficznych, zwłaszcza w Earthquake (1974) z Hestonem, The Cassandra Crossing (1976) z Lancasterem oraz w kanadyjskim filmie City on Fire (1979). Pojawiła się na krótko jako Lillie Langtry pod koniec filmu The Life and Times of Judge Roy Bean (1972), oraz w The Blue Bird (1976). Jej ostatnim filmem była Regina Roma (1982). W latach 80. występowała głównie w telewizji, m.in. w remake’u miniserialu The Long, Hot Summer oraz w serialu Knots Landing (oba 1985).