Elle fut formé comme une chanteuse d'opéra depuis l'âge de douze ans.

Kathryn Grayson commence sa carrière dans le débuts des années 40 comme figurante et signe un contrat avec la MGM pour une durée de 13 ans.

Elle reçu ses premiers rôles dans des films comme SHOW BOAT (1951) et EMBRASSE-MOI CHÉRIE (1954). Elle a été jumelée avec Howard Keel et Mario Lanza dans certains de ses films.

En 1945, le réalisateur George Sidney l'engage pour tourner son nouveau film "ESCALE À HOLLYWOOD" aux côtés de Gene Kelly et Frank Sinatra.

Sa carrière évolue rapidement, elle tourne avec les grandes stars de l'époque : June Allyson en 1946 avec "DU BURLESQUE À L'OPÉRA", la même année avec Judy Garland dans "LA PLUIE QUI CHANTE".

En 1946, elle tourne le plus grand film de sa carrière "ZIEGFIELD FOLLIES" avec les grands noms de l'époque : William Powell, Fred Astaire, Judy Garland, Gene Kelly et Cyd Charisse. Ce film est le plus grand succès de sa carrière.

Le 22 août 1947, elle se remarie avec Johnny Johnston (1915-1996) jusqu'en 1951 avec qui elle aura son seul enfant : Patricia Kathryn née le 7 octobre 1948.

Après un passage à vide pendant son second mariage où elle a arrêter momentanément sa carrière, elle réapparaît en 1951 dans "Show Boat" au côté de la séduisante Ava Gardner.

Ces films sont pratiquement tous du domaine musical. Sa carrière s'arrête en 1955 avec le film "LE ROI DES VAGABONDS" de Michael Curtiz.

En 1994, elle est de passage dans un documentaire sur le siècle du cinéma en 1994 "A CENTURY OF CINEMA"

Depuis 2002, elle était professeur de chant privé.