La belleza "exótica" se transforma en una pelirroja color caoba más sofisticada y abandona sus papeles de bailarina por  películas de aventuras y policíacas. Alta y muy bella, le costará mucho tiempo despojarse de una flagrante timidez. Interpreta como Rita Cansino, su primera película Charlie Chan en Egipto (1935,Louis King). 

Hasta 1937 siguió actuando y bailando en varias películas. Rodó papeles protagonistas en dramas como Sólo los ángeles tienen alas (1939, Howard Hawks); comedias como La pelirroja (1941, Raoul Walsh); y musicales como Las modelos (1944, Charles Vidor ). Pieza destacada del  star system   de Hollywood en el momento en que la fuerza de la pantalla cinematográfica dominaba mentes y corazones de millones de personas en todo el mundo.

Su fotografía es una de las imágenes más reclamadas por los soldados norteamericanos durante la II Guerra Mundial y "adornará" la bomba atómica de Bikini con su legendario vestido de noche de Gilda(1946), la película que le proporciona la fama, esencialmente gracias a una escena de antología en la que se la ve susurrar un erótico Don't Put the Blame on Mame al tiempo que se va quitando lánguidamente un par de largos guantes. 

Tal vez sus interpretaciones mas memorables sean en papeles de mujer enigmática, como en Gilda (1946,Charles Vidor) o en La dama de Shangai (1948) escrita, dirigida e interpretada por su segundo marido,Orson Welles, con el que había contraído matrimonio en 1943 y del que se divorció en 1948. 

El 27 de mayo de 1949 contrajo matrimonio con el príncipe Ali Khan, hijo del Aga Khan, abandonandoHollywood, a donde, sin embargo, regresaría en 1953 tras su divorcio. A continuación interpretó películas de menor éxito como La bella del Pacífico (1953, Curtis Bernhardt) y Mesas separadas (1958, Delbert Mann). 

Su cuarto matrimonio, con el cantante Dick Haymes, y más tarde un quinto, no aportaron a la actriz la felicidad sentimental que, según sus propias declaraciones, era lo que más le había interesado. Después de 1966, ya no aparecerá más que en películas muy mediocres, con la excepción quizá de La route de Salina(1970), de Georges Lautner. Su última interpretación fue en la película La ira de Dios (1972, Ralph Nelson). 

Fue madre de dos hijos, Rebecca con Orson Welles y Yasmin con Aly Khan. 

Sufrió de una fuerte adicción al alcohol. Contrajo la enfermedad de Alzheimer y falleció en la ciudad deNueva York, sola, en la casa de su hija Yasmin el 14 de mayo de 1987.