Después de una breve incursión en el cine en Checoslovaquia, que incluyó su participación en la película «Éxtasis» (1933), escapó de su esposo, un adinerado fabricante austríaco de municiones, y se trasladó secretamente a París. Más tarde, viajó a Londres, donde conoció a Louis B. Mayer, el director del estudio Metro-Goldwyn-Mayer, quien le ofreció un contrato cinematográfico en Hollywood. De esta manera, se destacó como una estrella de cine con su actuación en «Argel» (1938). Sus trabajos con MGM incluyen películas como «Lady of the Tropics» (1939), «Boom Town» (1940), «H.M. Pulham, Esq.» (1941) y «White Cargo» (1942). Su mayor éxito fue el papel de Dalila en «Sansón y Dalila» (1949), dirigida por Cecil B. DeMille. También incursionó en la televisión antes del lanzamiento de su última película, «The Female Animal» (1958). En 1960, fue honrada con una estrella en el Paseo de la Fama de Hollywood.
Durante los primeros días de la Segunda Guerra Mundial, inventó, desarrolló y patentó un sistema de guía por radio para torpedos aliados, utilizando el espectro ensanchado y la tecnología de salto de frecuencia para contrarrestar la amenaza de interferencia por parte de las Potencias del Eje. Aunque la Armada de los Estados Unidos no adoptó la tecnología hasta la década de 1960, los principios de su trabajo influyeron en el desarrollo de la tecnología Bluetooth y son similares a los métodos utilizados en las primeras versiones de Wi-Fi. Este trabajo la llevó a ser incluida en el National Inventors Hall of Fame en 2014. En los últimos años, se ha asociado el invento del salto de frecuencia a Hedy Lamarr, aunque la historia es más compleja.