
La relation entre Grace et Rainier provoque de nombreuses rumeurs. La presse à sensation prétend que non seulement le prince aime les belles actrices (comme la Française Gisèle Pascal avant Grace), mais qu'il s'assure en plus de leur fertilité pour assurer un héritier à la principauté.
Le 12 avril 1956, elle arrive à Monaco à bord du paquebot SS Constitution (en) : le canon tire une salve d'honneur. Aristote Onassis fait pleuvoir des ½illets rouges et blancs depuis son hydravion. Des promenades sur la corniche ont lieu, sous les regards des paparazzis.
Après le mariage civil célébré le 18 avril 1956, le mariage religieux se déroule en la cathédrale de Monaco le 19 avril 1956 ; le « mariage du siècle » retransmis en direct dans le monde entier, est suivi par trois millions de télespectateurs et reste notamment marquant par la robe de mariée portée par la princesse (en), l'une des plus célèbres et des plus admirées au monde, ayant été prise pour modèle pour de nombreux mariages princiers. Comme il est d'usage pour les stars de cinéma, sa robe est offerte par son studio avec lequel elle est sous contrat, la Metro-Goldwyn-Mayer, qui fait appel à sa costumière Helen Rose pour la dessiner. Elle est constituée d'une jupe de faille de soie ivoire soutenue par trois jupons, d'un corsage au col rond ras de cou en dentelle rose de Bruxelles entièrement rebrodé et agrémenté de perles de culture, les perles et dentelle couvrant également le missel, les chaussures et le voile. Par ce mariage, elle reçoit quatre fois le titre de duchesse, quatre fois celui de marquise, sept fois celui de comtesse et neuf fois celui de baronne.

De ce mariage naissent trois enfants :
Caroline Louise Marguerite, née le 23 janvier 1957.
Albert Alexandre Louis Pierre, « prince héréditaire » et marquis des Baux, né le 14 mars 1958, devenu prince régnant de Monaco le 6 avril 2005, sous le nom d'Albert II.
Stéphanie Marie Élisabeth, née le 1er février 1965.
Supportrice de l'AS Monaco, la princesse imagine le maillot de l'ASM en 1960, et cette même année, l'équipe remporte la Coupe de France de football, malgré les banderoles des supporters adverses proclamant : « Monaco a fini de régner » et « Pas de grâce pour Monaco ».
En 1963, elle crée l'Association Mondiale des Amis de l'Enfance puis en 1964 la Fondation Princesse Grace de Monaco, ½uvre internationale de bienfaisance. Elle est présidente de la Croix-Rouge monégasque jusqu'à sa mort. Hollywood lui propose des rôles pour retourner dans différents films mais les Monégasques et le prince Rainier refusent. Nostalgique de son art, elle s'est tournée dans la lecture de poésies, le collage de fleurs séchées et joue parfaitement son rôle de mère de famille et de première dame