Po powrocie do USA przyłączyła się do grupy teatralnej w San Jose, z którą współpracowała już Olivia. Osiadła w Los Angeles i rozpoczęła karierę w branży filmowej pod nazwiskiem Joan Burfiels dla odróżnienia od starszej siostry. Debiutowała w 1935 w filmie No More Ladies. Nie odniosła sukcesu i przez dłuższy czas pozostawała bez propozycji filmowych. W 1937 przyjęła nowy pseudonim Joan Fontaine, zagrała w kilku filmach, m.in. You Can't Beat Love, Dziesięć lat życia, Kobiety, Gunga Din. Role te zostały dużo lepiej przyjęte.
W 1940 została po raz pierwszy nominowana do Oscara za Rebekę (w reżyserii Hitchcocka), przegrała jednak rywalizację o statuetkę z Ginger Rogers. Rok później zdobyła nagrodę za Podejrzenie (Suspicion, grała u boku Cary'ego Granta). Ponownie była nominowana w 1944 za film Wierna nimfa.
W późniejszych latach pracowała przede wszystkim dla telewizji i teatru (m.in. Broadwayu). Ostatnim filmem Fontaine był The Witches (1966).
Była czterokrotnie zamężna. Miała jedną biologiczną córkę Deborah (ur. 1948) i drugą adoptowaną, pochodzącą z Peru, Martitę (ur.