Gloria Wood era figlia del regista cinematografico Sam Wood e dell'attrice teatrale Clara Rausch. Anche la sorella Jane diventerà un'attrice con il nome di Jeane Wood. Gloria apparve già in due film nel 1921, a due anni, ma i genitori si opposero sempre, quando fu cresciuta, al suo desiderio di diventare un'attrice, così che nel 1938 la giovane lasciò la loro casa andando a vivere con la sorella e il marito di questa, l'attore John Hiestand, a Los Angeles.
Prese lezioni di recitazione e partecipò a rappresentazioni teatrali a New York con il nome di Katherine Stevens, finché il padre la raccomandò al commediografo e produttore George S. Kaufman, che la fece recitare in due sue commedie, You Can’t Take It with You e The Man Who Came to Dinner. Tornata in California, nel 1940 fu diretta dal padre in Kitty Foyle, ragazza innamorata, con Ginger Rogers. Intervallando cinema e teatro e adottando il nome di K. T. Stevens, fece la spola tra Hollywood e New York fino al 1944, quando recitò nel suo film più importante, Address Unknown, candidato nel 1945 a due premi Oscar.
Dopo Il porto di New York (1949) e Sola col suo rimorso (1950), con Joan Crawford, iniziò a interpretare serie televisive che furono per trent'anni la sua prevalente attività artistica. Pochi i film in cui apparve ancora, l'ultimo dei quali, Una moglie per papà (1994), fu terminato poco prima della morte, avvenuta per un cancro ai polmoni. Fu cremata e le ceneri disperse.
Per qualche tempo fidanzata con il miliardario Alfred Vanderbilt, il 7 maggio 1946 sposò l'attore Hugh Marlowe, dal quale ebbe due figli nel 1948 e nel 1951. La coppia divorziò nel 1967 e l’attrice non si risposerà più.