Nació en una familia modesta, su padre era granjero. Estudió en el Atlantic City Christian College y más tarde empezó a estudiar secretariado. Gracias a unas fotos que le hizo su cuñado fue descubierta por un cazatalentos de la Metro Goldwyn Mayer y es contratada por la compañía en 1941. Ese cazatalentos era Barry Duhan; quedó encantado al ver una fotografía de la actriz expuesta en el escaparate de la Quinta Avenida y se puso en contacto con Ava Gadner para ofrecerle trabajar en el cine. De este modo, dejó sus estudios de secretariado y comenzó a intervenir en numerosas películas.Tomó lecciones de dicción y arte dramático y su debut cinematográfico se produjo con Sucedió bailando (1941), pero el éxito le llegó con Forajidos. A finales de los años 40 ya se había convertido en una de las estrellas más interesantes de Hollywood.
Su popularidad le vino dada en gran parte por sus sonados matrimonios: el primero de ellos con Mickey Rooney sólo duró un año y el divorcio se produjo en 1942 por "crueldad mental"; en octubre de 1945 se casó de nuevo con el cineasta Artie Shaw, del que se separa un año más tarde y el tercero y definitivo fue con el cantante y actor Frank Sinatra aunque esta vez su matrimonio duró seis años. Además de estos tres esposos Ava tuvo numerosos romances (entre ellos con el torero Luis Miguel Dominguín) que le valieron la fama de "comehombres".
Hasta 1958 siguió trabajando con la Metro Goldwyn Mayer y las películas más destacadas en las que trabajó fueron Venus era mujer (1948), Pandora y el holandés errante (1951, cuyo rodaje aprovechó para escapar a España, donde vivió un corta temporada durante los años 50), La condesa descalza (1954, en la que daba vida a una bailarina española) y Mogambo (1953). Será esta última película la que le proporcionaría una nominación al Oscar como mejor actriz, pero ese año la preciada estatuilla de la Academia de Artes y Ciencias Cinematográficas de Hollywood fue a parar a manos de Audrey Hepburn por Vacaciones en Roma.
Su vida sentimental le afectó profundamente y cansada de ser la protagonista de su propio drama, donde es incapaz de alcanzar el amor, se retira con 43 años. Aunque años después reapareció en La noche de la iguana, firmando así su último gran papel. A partir de entonces trabajó para la televisión o en superproducciones para clásicos.
Durante sus años en activo actuó en 59 películas y sus partenaires más característicos fueron, entre otros, James Mason, Robert Taylor o Gregory Peck. Su belleza deslumbrante le hizo adquirir gran notoriedad en el mundo del cine.
Louis B. Mayer (dueño de la Metro Goldwyn Meyer) dijo de ella: "No sabe actuar, no sabe hablar, pero es fantástica".
Murió en Londres a los 68 años de edad. Entre sus declaraciones más significativas destacamos la siguiente:
"Fui una chica guapa que hizo cine, nada más que eso. Carecía de auténtica vocación interpretativa, aunque con el paso de los años llegué a sentir un auténtico amor por mi trabajo". Era conocida con el sobrenombre: El animal cinematográfico más bello del mundo.
