Gloria Grahame est née à Los Angeles, en Californie. Son père, Reginald Michael Bloxam Hallward, est architecte et sa mère, Jean McDougall qui utilisait le nom de scène Jean Grahame, est une comédienne d'origineécossaise et professeur de théâtre[2]. Elle a une sœur aînée, Joy Hallward, mariée à l'acteurJohn Mitchum. Elle est une descendante du roi d'AngleterreÉdouard III[3],[4].
Elle se découvre une passion pour le théâtre à l'âge de 9 ans. Plus tard, elle est scolarisée auHollywood High School(en)[5].
Gloria Grahame s'est mariée quatre fois : en premières noces, en 1945, avec Stanley Clements, acteur, dont elle divorce en 1948[6]. En 1948, elle épouse en deuxièmes nocesNicholas Ray, réalisateur. Ils se séparent en 1950, et divorcent en 1952, à la suite d'une affaire d'adultère, où Gloria aurait été surprise au lit avec Antony, le fils de Nicholas Ray[7],[8]. Ils ont eu un enfant ensemble prénommé Timothy en 1948. En troisièmes noces, Gloria Grahame épouseCy Howard, écrivain et producteur TV, dont elle divorce en 1957. Le couple a une fille Marianne Paulette Howard, née en 1956[9]. Enfin, elle épouse Anthony« Tony » Ray; ils auront deux enfants : Anthony Jr Ray né en 1963 et James Ray né en 1965[10].