In 1930 tekende Colbert een contract met Paramount Pictures, die op zoek waren naar toneelacteurs die de dialoog in het nieuwe medium "talkies" aankonden. Colberts elegante, muzikale stem was een van haar beste troeven. Enkele van haar vroege hitfilms waren Manslaughter (1930) en Honor Among Lovers (1931), beide met Fredric March, The Smiling Lieutenant (1931), met Maurice Chevalier en Miriam Hopkins, en Torch Singer (1933), met Ricardo Cortez en David Manners.
Colberts carrière kreeg een enorme impuls toen Cecil B. DeMille haar castte als de Romeinse keizerin Poppaea in zijn historische epos The Sign of the Cross (1932), tegenover Fredric March en Charles Laughton (als Nero). In een van de meest memorabele scènes uit de filmgeschiedenis baadt Claudette naakt in een marmeren bad gevuld met ezelsmelk.
Ze werkte opnieuw voor DeMille en was oogverblindend als zijn Cleopatra (1934), tegenover Warren William en Henry Wilcoxon. In 1934 won ze een Academy Award voor Beste Actrice voor haar rol tegenover Clark Gable in de Frank Capra klassieke screwball comedy It Happened One Night, een film die ze aanvankelijk beschreef als de "slechtste film ter wereld". Haar optreden bewees Hollywood echter dat ze een deskundige comédienne was. In een beroemde scène weigerde ze aanvankelijk haar rok op te trekken om een passerende auto te verleiden haar en Gable een lift te geven, omdat ze dat onvrouwelijk vond. Toen ze echter het koormeisje zag dat als haar body double was ingehuurd, zei een woedende Colbert tegen de regisseur: "Haal haar hier weg. Ik doe het wel. Dat is niet mijn been!" Colbert speelde vervolgens in de originele Imitation of Life (1934), tegenover Warren William en Louise Beavers.
Claudette wisselde de rest van de jaren dertig behendig af tussen romantische komedies en drama's en had in beide succes: Private Worlds (1935), met Charles Boyer; She Married Her Boss (1935), met Melvyn Douglas; The Gilded Lily (1935) en The Bride Comes Home (1935), beide met Fred MacMurray; Under Two Flags (1936), met Ronald Colman; Tovarich (1937), opnieuw met Boyer; Bluebeard's Eighth Wife (1938), met Gary Cooper; Zaza (1939), met Herbert Marshall; Midnight (1939), met Don Ameche; It's a Wonderful World (1939), met James Stewart; en Drums Along the Mohawk (1939), met Henry Fonda.
Naast Capra en DeMille werkte Colbert met de beste regisseurs in de industrie: Dorothy Arzner, Ernst Lubitsch, Preston Sturges, Frank Lloyd, John M. Stahl, Wesley Ruggles, Gregory La Cava, Anatole Litvak, George Cukor, Mitchell Leisen en John Ford.
Colbert vond dat haar gezicht moeilijk te belichten en te fotograferen was, en was geobsedeerd om haar "slechte" kant, de rechterkant, niet aan de camera te laten zien, vanwege een kleine bult die het gevolg was van een gebroken neus uit haar jeugd.
Van 1936 tot 1944 speelde zij de hoofdrol in talrijke programma's van Cecil B. DeMille's Lux Radio Theater, een van de populairste dramatische radioprogramma's in die tijd. In 1952 keerde ze terug naar haar geboorteland Frankrijk, waar ze bleef tot 1955.
Naast het maken van nog twee Hollywoodfilms keerde ze in 1958 terug naar Broadway met "The Marriage Go-Round" met Charles Boyer, waarvoor ze in 1959 een Tony Award-nominatie kreeg. Ook voor haar theaterwerk in Chicago won ze in 1980 de Sarah Siddons Award. In 1984 verscheen ze met Rex Harrison in Frederick Lonsdale's "Aren't We All" in het Haymarket Theatre, Londen, en ook in het Brooks Atkinson Theatre op Broadway, gepresenteerd door Douglas Urbanski. De laatste film van mevrouw Colbert was Parrish in 1961. De volgende twintig jaar speelde ze in talrijke Broadway toneelstukken. In 1987 maakte ze een televisieserie getiteld The Two Mrs. Grenvilles en werd genomineerd voor een Emmy Award voor Outstanding Supporting Actress in a Mini-series or a Special. In 1988 won zij de Golden Globe Award voor Beste actrice in een bijrol in een serie, miniserie of film voor televisie. In 1989 ontving zij de Kennedy Center Honors.
Tijdens haar carrière speelde Claudette Colbert in vijfenzestig films. Voor haar bijdrage aan de filmindustrie werd ze geëerd met een ster op de Hollywood Walk of Fame.