Im Jahr 1942, im Sommer vor ihrem Abschlussjahr, wurde sie ausgewählt, um am renommierten Barter Theater in Virginia in die Lehre zu gehen. Nach zwei Jahren als Schauspielstudentin an der Northwestern University ging sie nach New York, wo sie als Zweitbesetzung arbeitete, bevor sie Vivian Vance in einer Straßenproduktion von „Voice of the Turtle“ ersetzte, die am Broadway von Alfred de Liagre produziert worden war. Er hatte darauf bestanden, dass sich die patrizisch aussehende neue Schauspielerin Patricia nannte.
Ihr großer Durchbruch kam als Hinterwäldlermädchen, das sich mit dem Teufel verbündet, in einer Sommerstock-Produktion von „Devil Takes a Whittler“ in Westport, Conn. Eugene O’Neill, der ihr Mentor wurde, sah die Aufführung, ebenso wie ein Großteil des Broadway-Establishments. In weniger als 24 Stunden hatte sie zwei Angebote für eine Rolle am Broadway. Das Angebot von Richard Rodgers, die Hauptrolle in „John Loves Mary“ zu spielen, lehnte sie ab und entschied sich für Hellmans „Another Part of the Forest“
Hollywood lockte und sie unterschrieb einen Sieben-Jahres-Vertrag mit Warner Brothers, der die Hauptrolle in der Filmversion von „John Loves Mary“ beinhaltete. In weiteren Rollen für das Studio spielte sie eine Frau, die darauf wartet, zu sehen, ob ihr Kind einen Flugzeugabsturz überlebt hat, in „Three Secrets“ (1950); John Waynes Liebesinteresse in „Operation Pacific“ (1951); und Dennis Morgans streitende Ehefrau in „Raton Pass“ (1951).
Ein Vertrag bei Fox folgte, und sie spielte gegenüber Tyrone Power in dem Spionage-Thriller „Diplomatic Courier“ (1952) und kümmerte sich um den Science-Fiction-Film „The Day the Earth Stood Still“ (1951). An Universal ausgeliehen, spielte sie in „Weekend With Father“ (1951) eine von Van Heflin umworbene Witwe. Während ihrer Affäre mit Cooper wurde sie schwanger und trieb ab, so die Autobiographie „As I Am“ (1988), die sie zusammen mit Richard DeNeut schrieb: „Wenn ich nur eine Sache in meinem Leben wiederholen könnte“, schrieb sie, „würde ich dieses Baby haben. „Mit dem Wunsch, Kinder zu haben, heiratete sie 1953 Dahl, obwohl sie ihn damals nicht liebte, schrieb sie in ihrer Autobiographie. Als ehemaliger R.A.F.-Kampfpilot, der ein berühmter Autor von oft dunkelhumorigen Kinderbüchern wurde („James und der Riesenpfirsich“, „Charlie und die Schokoladenfabrik“), übernahm Dahl die Kontrolle über Ms. Neals Leben. Nachdem ihr vier Monate alter Sohn Theo einen Hirnschaden erlitten hatte, als sein Kinderwagen im Dezember 1960 auf einer New Yorker Straße zwischen einem Taxi und einem Bus zerquetscht wurde, beschloss Dahl, dass sie in das Dorf Great Missenden in England ziehen würden. Zwei Jahre später starb ihre älteste Tochter, Olivia, die 7 Jahre alt war, an einer Masern-Enzephalitis, vielleicht in Ermangelung einer ausgefeilten medizinischen Versorgung, die in einer Großstadt zur Verfügung gestanden hätte.
Gleichwohl arbeitete Frau Neal weiter im Film und in Gastauftritten im Fernsehen. In „Breakfast at Tiffany’s“ (1961) spielte sie eine ältere Frau, die einen jungen Schriftsteller (George Peppard) unterstützt, der sich in die Herrenbegleiterin Holly Golightly (Audrey Hepburn) verliebt.