Лита Грей, урождённая Лиллита Луиз МакМюрей, родилась в Голливуде 15 апреля 1908(19080415) года. Её мать была мексиканкой, а отец — выходцем из Ирландии.
В 1921 году она дебютировала в кино, снявшись в двух картинах Чаплина — «Малыш» (1921) и «Праздный класс» (1921). У них завязались дружеские отношения, в 1924 году, в возрасте 16 лет, она от него забеременела. Чтобы не сесть в тюрьму за сексуальные отношения с несовершеннолетней, Чаплин тайно женился на Лите Грей в Мексике. Грей родила ему двоих сыновей: Чарльза Чаплина мл. (1925—1968) и Сидни Ирла Грея (1926—2009), которые, как и отец, стали актёрами.
Будучи женой Чаплина, Лита Грей появилась лишь в его фильме «Золотая лихорадка» (1925), и то в эпизодической роли. Их брак не заладился с самого начала, и в августе 1928 года, устав от постоянных измен мужа, Лита Грей развелась с ним. Чаплин выплатил Лите $700,000 — рекордную для того времени сумму, что стало причиной расследования налоговых органов. Их развод стал громким событием в шоу-бизнесе, во многом из-за того что в своих претензиях Лита указала о сексуальных отношениях с Чаплиным, будучи ещё несовершеннолетней. Эти претензии были опубликованы и публично распроданы крупным тиражом.
После разрыва с Чаплиным, Лита Грей снялась ещё лишь в трёх фильмах, и до завершения своей актёрской карьеры в 1947 году некоторое время гастролировала в США и Европе с одной из театральных компаний.
В 1970-х и 1980-х годах Грей работала клерком в одном из универмагов в Беверли-Хиллз. О своём браке с Чаплиным Лита Грей написала две биографии, в которых подробно рассказывала о своих непростых отношениях с мэтром немого кино. Она также приняла участие в съёмках документального фильма «Неизвестный Чаплин», который был показан в 1983 году.
Лита Грей умерла 29 декабря 1995 года от рака в Лос-Анджелесе в возрасте 87 лет.