Nacque a Filadelfia nello stato americano della Pennsylvania, figlia terzogenita di John Brendan Kelly Senior  e Margaret Majer, sorella di John Brendan Kelly jr., Margaret Katherine Kelly  ed Elizabeth Anne Kelly . La sua famiglia di origine irlandese era una delle più importanti della città, benché di recente ricchezza, ed era saldamente cattolica; tutta l'educazione di Grace e dei suoi fratelli si basò sui principi del cattolicesimo, che diventerà il collante dell'unione tra la Kelly e il principe Ranieri. Suo padre fu un milionario self-made-man, vincitore di tre medaglie d'oro nella specialità del canottaggio a due olimpiadi; suo fratello Jack seguì questa tradizione. La strada di Filadelfia Kelly Drive è intitolata a John Junior, che fu membro del consiglio comunale. Si racconta che a stimolare il lato artistico della giovane Grace fu lo zio paterno George Kelly, commediografo vincitore di un premio Pulitzer. La madre Margaret Majer atleta, energica e determinata, la signora Majer fu la prima donna ad insegnare educazione fisica nella University of Pennsylvania, mentre la sua avvenenza teutonica le consentì un discreto successo come cover girl. Secondo tutti i biografi, comunque, il vero eroe della futura principessa rimane il padre John Kelly: bellissimo, carismatico e vincente sarà per sempre il faro di Grace. Nonostante l'opposizione della famiglia al suo desiderio di lavorare nel cinema, Grace Kelly, unanimemente ritenuta una delle più belle attrici del mondo apparse sullo schermo, iniziò come indossatrice e, all'età di 22 anni, ebbe la sua prima parte nel film La quattordicesima ora, 1951). L'anno seguente fu co-protagonista con Gary Cooper del western Mezzogiorno di fuoco. Il film successivo fu Mogambo fece guadagnare a Grace Kelly la nomination all'Oscar per il titolo di miglior attrice non protagonista, che invece andò a Donna Reed. Grace Kelly interpretò tre film per la regia di Alfred Hitchcock: Sul set di Caccia al ladro, girato nel Principato di Monaco, conobbe il futuro marito. Nel 1955 le fu assegnato il Premio Oscar come miglior attrice protagonista per La ragazza di campagna . Durante le riprese del film, ebbe una breve relazione con il protagonista Bing Crosby, che non venne pubblicizzata per proteggere la reputazione di entrambi. La commedia musicale Alta società, 1956),  fu il suo ultimo film: il suo matrimonio con il Principe Ranieri III di Monaco segnò il suo ritiro dalle scene. Prima del suo matrimonio ebbe relazioni con gli attori Clark Gable, Gary Cooper, Bing Crosby, Ray Milland, William Holden, Frank Sinatra e Jean-Pierre Aumont, e con lo stilista Oleg Cassini. Fu sorpresa dalla richiesta di Ranieri di lasciare completamente la sua carriera di attrice, ma seguì le sue volontà. La fede cattolica e l'abilità nel crescere i bambini furono i fattori principali per cui Ranieri la scelse come sposa. Prima di Grace Kelly, Ranieri ebbe un fidanzamento di sei anni con l'attrice francese Gisèle Pascal, che lasciò quando una visita medica ne accertò l'infertilità.

Il principe Ranieri e la principessa Grace hanno avuto tre figli:

• Principessa Carolina Luisa Margherita, nata il 23 gennaio 1957
• Principe Alberto Alessandro Luigi Pietro, Marchese di Baux, nato il 14 marzo 1958 e principe regnante di Monaco come Alberto II di Monaco
• Principessa Stefania Maria Elisabetta, nata il 1º febbraio 1965

Il 13 settembre 1982, la Principessa rimase vittima di un incidente stradale con la sua Rover SD1 mentre si trovava sulla strada per Turbia nel comune di Capodaglio, poco lontano dal Principato di Monaco, nell'incidente riportò due emorragie cerebrali: la prima lieve, mentre la seconda più grave. Morì il giorno successivo, all'età di 52 anni, senza mai aver ripreso conoscenza.