В 1939 году Кэтрин заинтересовались кинодеятели. Дело в том, что студия MGM искала обаятельную и непременно поющую девушку, как бы в противовес звезде Юниверсал Дине Дурбин. Миниатюрная брюнетка, ростом всего 1 м 57 см, с овалом лица в виде сердца была обнаружена сотрудником студии MGM, в то время, когда она выступала на радио. Правда сама кандидатка не разделяла планов студии и хотела петь в опере, а не сниматься, пусть и в музыкальном, кино.
Контракт всё же был подписан, включая и пункт выпуска бесчисленного количества рекламных фотографий. Вскоре актриса выразила желание дебютировать на сцене Метрополитен Опера, на что Луис Б. Майер заметил, что, выбрав такой путь, она может никогда не завоевать всемирной славы, в то время как, если она станет кинозвездой, у неё будет широкая зрительская аудитория, поклонники и уважение. Несмотря на сопротивление молодой артистки, Луис Майер выиграл, и вряд ли когда либо об этом пожалел, получив для своей студии такой талант в лице мисс Хэдрик, которая отныне носила имя Кэтрин Грэйсон (своё второе имя и девичью фамилию матери).
В 1941 году вышел фильм «Энди Харди личный секретарь» (Andy Hardy's Private Secretary, 1941), где Грейсон досталась одна из ролей второго плана. Первая главная роль в 1942 году в картине «Seven Sweethearts», а затем сразу две успешные работы: «Thousands Cheer» (1943) - с Джином Келли, и «Поднять якоря» (Anchors Aweigh, 1945) – с Дженом Келли и Фрэнком Синатр. Позднее все трое примут участие в съёмках фильма «Безумства Зигфилда» (Ziegfeld Follies,1946), а Кэтрин и Фрэнк встретятся в фильме «Пока плывут облака» (Till the Clouds Roll By,1946) и получат главные роли в «Целующемся бандите» (The Kissing Bandit, 1948). После этого можно было с полной уверенностью говорить, что на студии MGM появилась новая звезда.
Один из наиболее успешных, хотя и не продолжительных, кинодуэтов MGM возник в 1949 году, когда на экраны вышел фильм «Полночный поцелуй» (That Midnight Kiss, 1949) с Кэтрин Грэйсон и Марио Ланца в главных ролях. Это была их первая (и не последняя) совместная работа и успешный дебют Марио Ланца в кино. На следующий год был снят фильм «Любимец Нового Орлеана» (The Toast of New Orleans), в чём-то близкий предыдущему, но нельзя сказать, что дублирующий его. Что касается Марио Ланца, то вообще эти два фильма (и прибавить к ним феноменальный «Великий Карузо») можно назвать наиболее успешными в его кино-карьере.
Дуэт Марио Ланца и Кэтрин Грэйсон сравнивали с Джанетт МакДональд и Нельсоном Эдди (не смотря на существенные различия в тембре голоса: тенор Ланца и баритон Эдди). Хотя Кэтрин с Марио Ланца снялись вместе в нескольких кинолентах, артисты никогда мирно не уживались, в основном из-за горячего темперамента Ланца и его злоупотребления алкоголем. Этому дуэту не удалось повторить успех другого дуэта - сопрано Джанет МакДоналд и баритона Нэльсона Эдди. Хотя Джанет была наставницей и старшей подругой для Кэтрин и они стали действительно большими друзьями.
В 1956 году Грэйсон оставила MGM (по контракту она проработала на студии 13 лет) и сделал несколько фильмов для Paramount. К наиболее ярким работам Кэтрин Грэйсон в кино 50-х можно отнести съёмки в фильмах «Плавучий театр» (Show Boat, 1951), проходившие при участии Ховарда Килла и Авы Гарднер и «Поцелуй меня, Кэт» (Kiss Me Kate, 1953), где она снова встретилась с Ховардом Киллом. Впоследствии, актёр говорил, что Кэтрин Грэйсон - самая красивая женщина в истории кино.
В 1960-х годах она вместе с Ховардом Килом успешно выступала на подмостках кабаре.
Со второй половины 50-х, поскольку эпоха великих мюзиклов заканчивается, закончилась и кинокарьера актрисы. Она появилась лишь в отдельных эпизодах, больше уделяя внимания работе в студиях звукозаписи и выступлениям на театральных подмостках. Кэтрин выступала на сцене в многочисленных мюзиклах «Плавучий театр», «Розалинда», «Поцелуй меня, Кэт», «Капризная Мариэтта», и «Веселая вдова» в Чикагском «Sarah Siddons Award». Затем она заменила Джулию Эндрюс на Бродвее в 1962 году в «Камелоте», играя королеву Гиневру, и достигла большого успеха, а затем приняла участие с Национальным туром, с которым провела свыше 16 месяцев, после чего вынуждена оставить сцену из-за проблем со здоровьем.
Мечтой всей жизни Кэтрин было выступление на оперной сцене. И она появилась в ряде опер в 1960 году в таких как «Богема», «Мадам Баттерфляй», «Орфей спускается в ад» и «Травиата». Она так же время от времени появлялась на телевидении. Ее первое выступление на телеэкране было вознаграждено номинацией на премию Эмми в 1956 году за ее выступление в театре «General Electric» в эпизоде с Джоном Эриксоном «Shadow on the Heart». В конце 1980-х она появилась в нескольких эпизодах с Анджелой Лэнсбари в сериале «Она написала убийство».
С 1941 по 1946 год актриса была замужем за актером Джоном Шельоном. В 1947 году Кэтрин вторично вступит в брак с актером и певцом Джонни Джонстоном, на этот раз на четыре года; от брака у неё останется дочь Патриция Кэтрин. В течение 1950-х она имела связь с «Великим Моголом» Ховардом Хьюзом (хотя это и не было включено в фильм «Авиатор», поскольку там больше делался упор на его профиль занятий 1940-х).
Последние годы жизни актриса была наблюдателем вокальной и хоровой студийной программы в Государственном университете Айдахо. Кэтрин Грэйсон умерла в своём доме в Лос-Анджелесе 17 февраля 2010 года в возрасте 88 лет.
СВЕТЛА