À 17 ans, Nancy Kelly réussit la transition vers le monde des adultes, elle joue avec une réelle émotion la petite amie du commandant d'un sous-marin, Richard Greene, dans le film de guerre «Patrouille en mer» (1938) de John Ford. Dans l'un des plus grands succès de l'année 1939 « Jesse James, le bandit bien-aimé » de Henry King elle reçoit des critiques élogieuses, elle est la petite amie de Tyrone Power dans le rôle titre, Henry Fonda, Randolph Scott complètent la distribution. La même année dans «L'aigle des frontières» signé Allan Dwan, elle est la charmante et touchante fiancée de Randolph Scott en Marshall dans une ville où règne en maître absolu John Carradine. Dans une comédie assez cocasse «Il épouse sa femme» (1939) de Roy Del Ruth, Joel McCrea cherche à remarier son ex femme interprétée par Nancy Kelly, pour éviter la pension alimentaire, avec Roland Young en avocat et Cesar Romero en prétendant.

En 1943, elle surprend son public avec une éblouissante composition de femme meurtrie dans le drame de guerre, «Femmes enchaînées» (1943) de Steve Sekely, où sous le régime d'Hitler, la détention déchirante de deux femmes, Gail Patrick et Nancy Kelly, sont emprisonnées pour s'être exprimées contre le gouvernement nazi. Il trouve ensuite l'univers du film d'aventure auprès de Johnny Weissmuller avec « Le mystère de Tarzan » (1943) de Wilhelm Thiele, pendant la Seconde Guerre mondiale,Tarzan et boy doivent se procurer des plantes médicinales qui poussent dans une jungle mystérieuse, sur la route, ils croisent Connie (Nancy Kelly), une américaine chargée d'une mission secrète et accusée de meurtre qui tente d'échapper aux nazis.

Puis elle s'offre une parenthèse avec deux comédies musicales: «Quatre du music-hall» (1944) de Edwin L. Marin, avec Eddie Cantor et George Murphy, et «Song of the Sarong» (1945) de Harold Young avec William Gargan. On découvre une nouvelle fois son intensité dramatique dans le thriller d'espionnage «Trahison japonaise» (1945) de William A. Berke, où elle campe une espionne entraînée dans un jeu mortel contre un ennemi diabolique et finit par y perd la vie.

Nancy Kelly et Otto Kruger - Dans : Le Mystère de Tarzan (1943)

Parallèlement, Nancy Kelly s'est construit une carrière de comédienne de théâtre à Broadway. On garde en mémoire l'une de ses meilleures prestations, celle de Christine la mère suicidaire, dans la pièce de Maxwell Anderson «Mauvaise graine» (1954/55), un rôle qui lui vaut de nombreux éloges et le prix Tony de la meilleure actrice. En 1956, Mervyn LeRoy adapte la pièce à l'écran, Nancy Kelly reprend le rôle de Christine qui découvre que sa fille, Patty McCormack, au visage angélique à tous les traits d'une meurtrière au sang froid. Sa représentation en tant que femme émotionnellement traumatisée et suicidaire est une nouvelle fois saluée du public et des critiques.

Côté vie privée, Nancy Kelly a été mariée trois fois et chacun de ses mariages s'est terminés par un divorce. Après Edmond O'Brien (1941/1942), elle convole avec le réalisateur Fred Jackman, en 1946 mais le couple se sépare en 1950, puis en troisième noce de 1955 à 1968, avec le metteur en scène de théâtre Warren Caro avec lequel elle avait une fille Kelly Lurie Caro née en 1957.

Nancy Kelly décède de complications diabétiques le 2 janvier 1995, à l'âge de 73 ans. Elle repose au Westwood Village Memorial Park Cemetery à Los Angeles.

Nancy Kelly et Patty McCormack - Dans : Mauvaise graine (1956)