Grayson werd in 1940 ontdekt door Sam Katz, producent van MGM. In eerste instantie weigerde ze een filmcontract te tekenen omdat ze liever als zangeres op het toneel stond, maar het opbloeiende musicalgenre bood uitkomst.

Tussen 1941 en 1956 speelde de actrice vervolgens in een twintigtal films, waarvan haar optreden naast Frank Sinatra en Gene Kelly in Anchors Aweigh het bekendste is. Ook Show Boat, The Desert Song en Thousands Cheer zijn bekende films van Grayson.

Toen de musicalfilm begin jaren vijftig aan populariteit begon in te boeten, raakte ook de acteercarrière van Grayson in het slop. Haar laatste succesfilm bleek Kiss me Kate uit 1953. In 1956 speelde ze in The Vagabond King haar laatste filmrol.