W 1942 roku, latem przed ukończeniem ostatniego roku studiów, została wybrana do odbycia praktyki w prestiżowym Barter Theater w Wirginii. Po dwóch latach studiów dramatycznych na Northwestern University, wyjechała do Nowego Jorku, gdzie pracowała jako dublerka, zanim zastąpiła Vivian Vance w produkcji „Głosu żółwia”, którą na Broadwayu wystawił Alfred de Liagre. Nalegał on, aby ta patrycjuszowsko wyglądająca nowa aktorka nazywała się Patricia.
Jej przełom nastąpił w roli dziewczyny z lasu, która sprzymierza się z diabłem w letniej produkcji „Devil Takes a Whittler” w Westport, Conn. Eugene O’Neill, który stał się jej mentorem, widział to przedstawienie, podobnie jak większość broadwayowskiego establishmentu. W ciągu niespełna 24 godzin otrzymała dwie oferty występów na Broadwayu. Pani Neal odrzuciła ofertę Richarda Rodgersa, który zaproponował jej główną rolę w „John Loves Mary”, na rzecz „Another Part of the Forest” Hellman’a.
Hollywood wkrótce przyciągnęło ją do siebie i podpisała siedmioletni kontrakt z Warner Brothers, który obejmował główną rolę w filmowej wersji „John Loves Mary”. W innych rolach dla wytwórni zagrała kobietę czekającą na odpowiedź na pytanie, czy jej dziecko przeżyło katastrofę lotniczą w „Trzech sekretach” (1950); miłosne zainteresowanie Johna Wayne’a w „Operacji Pacyfik” (1951); oraz zwaśnioną żonę Dennisa Morgana w „Raton Pass” (1951).
Następnie podpisała kontrakt z wytwórnią Fox, gdzie zagrała u boku Tyrone’a Powera w szpiegowskim thrillerze „Diplomatic Courier” (1952) i zmartwiła się filmem science fiction „The Day the Earth Stood Still” (1951). Wypożyczona do Universal, zagrała wdowę, do której zalecał się Van Heflin w „Weekendzie z ojcem” (1951).Podczas romansu z Cooperem zaszła w ciążę i dokonała aborcji, według autobiografii „As I Am” (1988), napisanej z Richardem DeNeutem. „Gdybym miała tylko jedną rzecz do powtórzenia w moim życiu,” napisała, „miałabym to dziecko. „Pragnąc mieć dzieci, poślubiła Dahla w 1953 roku, mimo że go wtedy nie kochała, napisała w swojej autobiografii. Były pilot myśliwca R.A.F., który stał się znanym pisarzem często pełnych czarnego humoru książek dla dzieci („Jakub i olbrzymia brzoskwinia”, „Charlie i fabryka czekolady”), Dahl przejął kontrolę nad życiem pani Neal. Po tym, jak ich czteromiesięczny syn Theo doznał uszkodzenia mózgu, gdy jego wózek został zmiażdżony między taksówką a autobusem na nowojorskiej ulicy w grudniu 1960 roku, Dahl zdecydował, że przeprowadzą się do wioski Great Missenden w Anglii. Dwa lata później ich najstarsza córka, Olivia, która miała 7 lat, zmarła na odrowe zapalenie mózgu, być może z powodu braku wyrafinowanej opieki medycznej, która byłaby dostępna w dużym mieście.
Jeszcze pani Neal kontynuowała pracę w filmie i w gościnnych występach w telewizji. W „Śniadaniu u Tiffany’ego” (1961) zagrała starszą kobietę, która wspiera młodego pisarza (George Peppard), który zakochuje się w eskorcie dżentelmenów Holly Golightly (Audrey Hepburn).