A notoriedade alcançada a levou a assinar um contrato com a Metro-Goldwyn-Mayer, ocasião em que mudou o nome para Hedy Lamarr. Divorciada de Mandl em 1937, sua estréia em Hollywood deu-se no ano seguinte com o filme de John Cromwell, "Algiers". O sucesso e reconhecimento internacionais, ela os conseguiu após atuar em "Sansão e Dalila", um épico de Cecil B. DeMille produzido em 1949. Ao encerrar sua carreira no cinema, em 1958, Hedy Lamarr havia atuado em mais de trinta filmes.
Juntamente com George Antheil, patenteou um método de telecomunicações através do qual conseguia-se guiar torpedos através de ondas de rádio. Tal método, usado durante a 2ª Guerra Mundial, recebeu a patente de nº 2.292.387 dos EUA, em 11/08/1942, sob o nome "Sistema Secreto de Comunicações". Em 1997, ela recebeu um prêmio da Electronic Frontier Foundation por seu trabalho pioneiro na área de telecomunicações que, posteriormente, serviria de base para o desenvolvimento da telefonia celular.
Além de Fritz Mandl, de quem se divorciou em 1937, Hedy Lamarr casou-se ainda com Gene Markey (05/03/1939 a 03/10/1941), John Loder (27/05/1943 a 17/07/1947), Teddy Stauffer (12/06/1951 a 1952), W. Howard Lee, um magnata do petróleo (22/12/1953 a 1960), e Lewis Bois (04/03/1963 a 21/06/1965).
Em sua autobiografia publicada em 1966, Hedy Lamarr dizia que considerava sua beleza, tão aclamada mundialmente, uma verdadeira maldição. Nos últimos anos de sua vida, a atriz tornou-se uma pessoa amargurada e solitária, apesar de ter tido três filhos de seus casamentos com Markey e Loder, faleceu em 19/01/2000 em orlando, Flórida, EUA de causas naturais.