Alcançou a popularidade no mundo todo por sua atuação em Sansão e Dalila (Samson and Delilah), épico produzido em 1949 e dirigido por Cecil B. DeMille. Depois de interpretar Dalila, ao lado do galã Victor Mature no papel de Sansão, ela entraria de vez no panteão das mulheres fatais de Hollywood. A atriz esteve perto protagonizar a heroína do clássico Casablanca, fazendo par romântico com Humphrey Bogart, mas preferiu deixar o papel para Ingrid Bergman. Nem por isso deixou de ser a fulgurante estrela que era. Na verdade, Lamarr encontrou as portas do cinema americano abertas menos para seu talento dramático que para sua aparência. Qualquer mulher pode parecer glamourosa no cinema. Basta ficar quieta e fazer cara de burra, ironizava. No auge da carreira, na década de 40, ela havia estrelado 25 filmes. Casou-se cinco vezes, uma delas com o magnata do petróleo W. Howard Lee, que depois foi marido de Gene Tierney. Por ocasião do divórcio, ele queixou-se amargamente da artista, que gastava loucamente, quase me levando à ruína material e moral.

Em 1942, esposa de um rico fabricante de armamentos bélicos, Lamarr e o compositor George Antheil patentearam um sistema de rádio com proteção contra interferências, posteriormente utilizado pela marinha no aperfeiçoamento dos torpedos teleguiados. A tecnologia é precursora da técnica que levou à invenção da telefonia celular. Nos anos 70, a atriz atravessou uma forte crise financeira e chegou a empenhar suas jóias e a desfazer-se de propriedades. Em 1998, Lamarr recebeu uma indenização da companhia de software Corel, que fabrica programas de artes gráficas. A imagem da estrela quando jovem, reconstituída digitalmente, ornamentava a caixa do software Corel Draw 8. Após acordo, a Corel conseguiu autorização para estampar o rosto da atriz em seu software durante cinco anos. Nos últimos anos, a atriz havia se tornado uma mulher reclusa e amargurada. Foi presa duas vezes, ao ser descoberta roubando em lojas em Los Angeles e nos subúrbios de Orlando, Flórida, onde morava. Apesar dos vários casamentos e três filhos (um adotivo), morreu só, aos 86 anos, em 19 de janeiro de 2000.