En 1942, el verano anterior a su último año de carrera, fue elegida para ser aprendiz en el prestigioso Barter Theater de Virginia. Después de dos años como estudiante de arte dramático en la Universidad de Northwestern, se dirigió a Nueva York, donde trabajó como suplente antes de sustituir a Vivian Vance en una producción de la compañía de carretera de «La voz de la tortuga», que había sido producida en Broadway por Alfred de Liagre. Su gran oportunidad llegó con el papel de una chica de pueblo que se alía con el diablo en una producción de verano de «El diablo se lleva un bisturí» en Westport, Connecticut. Eugene O’Neill, que se convirtió en su mentor, vio la representación, al igual que gran parte de la clase dirigente de Broadway. En menos de 24 horas tuvo dos ofertas para actuar en Broadway. La Sra. Neal rechazó la oferta de Richard Rodgers de protagonizar «John Loves Mary» por «Another Part of the Forest» de Hellman.
Hollywood no tardó en llamarla, y firmó un contrato de siete años con Warner Brothers que incluía el papel protagonista en la versión cinematográfica de «John Loves Mary». En otros papeles para el estudio interpretó a una mujer que espera para saber si su hijo ha sobrevivido a un accidente de avión en «Tres secretos» (1950); el interés amoroso de John Wayne en «Operación Pacífico» (1951); y la esposa enemistada de Dennis Morgan en «Raton Pass» (1951).
Siguió un contrato en la Fox, y actuó junto a Tyrone Power en el thriller de espionaje «Diplomatic Courier» (1952) y se preocupó por la película de ciencia ficción «The Day the Earth Stood Still» (1951). Prestada a la Universal, interpretó a una viuda cortejada por Van Heflin en «Fin de semana con el padre» (1951).Durante su aventura con Cooper se quedó embarazada y abortó, según la autobiografía «As I Am» (1988), escrita con Richard DeNeut. «Si tuviera que volver a hacer una sola cosa en mi vida», escribió, «tendría ese bebé».Deseosa de tener hijos, se casó con Dahl en 1953, aunque entonces no le amaba, según escribió en su autobiografía. Dahl, un antiguo piloto de la R.A.F. que se convirtió en un renombrado escritor de libros infantiles a menudo de humor negro («James y el melocotón gigante», «Charlie y la fábrica de chocolate»), tomó el control de la vida de la Sra. Neal. Después de que su hijo de cuatro meses, Theo, sufriera daños cerebrales cuando su cochecito fue aplastado entre un taxi y un autobús en una calle de Nueva York en diciembre de 1960, Dahl decidió que se trasladarían al pueblo de Great Missenden, en Inglaterra. Dos años más tarde, su hija mayor, Olivia, que tenía 7 años, murió de encefalitis por sarampión, tal vez por falta de la sofisticada atención médica que habría estado disponible en una gran ciudad.
Aún así, la señora Neal siguió trabajando en el cine y en apariciones como invitada en televisión. En «Breakfast at Tiffany’s» (1961), interpretó a una mujer mayor que apoya a un joven escritor (George Peppard) que se enamora de la acompañante de caballeros Holly Golightly (Audrey Hepburn).