Грейс Келли имеет ирландские и немецкие корни, хотя родилась она в Америке в семье богатого промышленника Джона Келли, занимавшегося строительством, в прошлом олимпийского чемпиона по академической гребле. Она была третьим ребёнком в семье. У Грейс были старшая сестра Пегги, брат Джон и младшая — Лизанна. Её мать, Маргарет Майер, в молодости была фотомоделью, а её дядя — Джордж Келли — известный драматург, лауреат Пулитцеровской премии. Семейство Келли жило в роскошном особняке в Филадельфии. С детства Грейс получила доступ в высшее общество. Однако она стремилась добиться успеха в другом увлекательном мире, отличном от того, в котором существовали её родители.
В религиозном колледже Рейнхилл Грейс получила строгое католическое образование. Именно там в шестилетнем возрасте она впервые вышла на сцену в роли Девы Марии в театрализованном рождественском представлении.
Перебравшись в Нью-Йорк, Келли стала работать фотомоделью и параллельно изучала актёрское мастерство в Американской академии драматического искусства. Она пробовалась на множество ролей в разнообразных пьесах, но получала лишь контракты на рекламу — от сигарет и пива до шляп и пылесосов.
В 1949 году ей наконец удалось прорваться на Бродвей, и она сыграла в пьесе Стриндберга «Отец». С 1950 по 1952 часто появлялась в разных телевизионных программах. В 1951 году её пригласили на эпизодическую роль в фильм «14 часов». На её счету немногим более 10 фильмов, зато есть и один «Оскар», и слава самой кассовой актрисы своего времени.
На следующий год Грейс Келли снялась у Фреда Циннеманна в вестерне «Ровно в полдень» (1952), где её партнером был Гэри Купер. В 1953 Джон Форд предложил ей сыграть в «Могамбо», где её партнёрами стали Кларк Гейбл и Ава Гарднер. За эту работу Грейс была выдвинута на премию Оскар, как лучшая актриса второго плана. Получила же она этот почётный приз, как и премию нью-йоркских критиков, за созданный ею образ подруги озлобившегося певца-алкоголика, которого играл Бинг Кросби, в картине «Деревенская девушка» (1954).
За Келли утвердилась слава актрисы авантюрных фильмов. Вскоре на неё обратил внимание Альфред Хичкок, у которого она снялась в трёх фильмах. Два из них — «В случае убийства набирайте «М»» (1954) и «Окно во двор» (1954) — называют в числе лучших работ режиссёра.
Во время съёмок третьего из них — «Поймать вора», действие которого происходит на французской Ривьере, Грейс познакомилась с князем Монако Ренье III. Их свадьба состояла из закрытой для публики гражданской церемонии 18 апреля 1956 года и публичной религиозной церемонии на следующий день, 19 апреля, после чего Грейс стала княгиней и оставила свою кинокарьеру.
13 сентября 1982 года Грейс попала в автокатастрофу. У неё случился инсульт, в результате её автомобиль 1980 Rover SD1 (3500V8) потерял управление, сорвался с крутого поворота и упал на склон горы. В машине также находилась её дочь Стефания, оставшаяся в живых. Грейс была вытащена живой из остатков машины, но получила серьёзные ранения и находилась без сознания. Она умерла на следующий день в госпитале Монако, позже переименованном в 1985 году в Больничный центр княгини Грейс (англ. The Princess Grace Hospital Centre). Первоначально утверждалось, что Стефания получила небольшие ушибы, но позже выяснилось, что произошел серьезный перелом шеи.
Княгиня Грейс была похоронена 18 сентября в семейном склепе Гримальди после реквиема в Соборе Святого Николая в Монако. На службе присутствовало 400 гостей, среди которых были представители иностранных правительств, и члены европейских королевских домов. Диана, принцесса Уэльская представляла британский королевский дом. Кэри Грант был среди представителей от киносообщества. Около ста миллионов зрителей по миру смотрели её похороны. Принц Ренье до самой своей смерти остался вдовцом, и был похоронен рядом с ней после своей смерти в 2005 году.
Грейс хотела связать свою жизнь с модельером Олегом Кассини, но его возраст и многочисленные разводы заставили родителей Грейс изменить её решение. С князем Монако Ренье III она познакомилась в Монте-Карло на съёмках очередного фильма. Князь и актриса поженились 18 апреля 1956 года. Супруги имели троих детей: