1963 ging Raquel Welch nach Hollywood, lernte den Presseagenten und ehemaligen Kinderstar Patrick Curtis kennen und gründete mit ihm die Firma "Curtwell Enterprises". Diese Firma sollte der Vermarktung des Sex-Appeals von Raquel Welch dienen. Curtis sorgte dafür, dass seine Geschäftspartnerin und spätere Ehefrau an zahlreichen Schönheitswettbewerben teilnahm, und verschaffte ihr einen Filmvertrag bei der "20th Century Fox". 1964 spielte die Welch ihre erste größere Filmrolle in "Roustabout" (König der heißen Rhythmen) an der Seite von Elvis Presley und Barbara Stanwyck. Internationale Popularität erlangte sie dann zwei Jahre später als miniaturisierte Medizinerin Cora Peterson in Richard Fleischers Science-Fiction-Spektakel "Fantastic Voyage"¹⁾ (Die phantastische Reise).
Aber erst durch die 1966 gedrehte britischen Urzeit-Saga von Don Chaffey "One Million Years B.C."¹⁾ (Eine Million Jahre vor unserer Zeit²⁾) wurde sie – wohl mehr durch ihre Kurven – zum Star hochgejubelt. In diesem Streifen spielte sie das Mädchen Loana, eine mit einem zerfledderten, knappen Leder-Bikini bekleidete Frühbewohnerin der Erde. Patrik Curtis hatte diesen Film mit einer der aufwendigsten Werbekampagnen des modernen Kinos unterstützt. Innerhalb eines Jahres zierte die dunkelhaarige Schöne die Titelseiten von 92 europäischen und 16 amerikanischen Magazinen. Selbst ihre Eheschließung mit Curtis 1967 schien in erster Linie ein Publicitygag, ebenso das Foto, auf dem das junge Paar sich sogar im Bett bewundern ließ. Obwohl Raquel Welch kein nennenswertes Schauspieltalent besaß und ihre Filme keine sonderlichen Kassenerfolge waren, galt sie schon bald als einer der begehrtesten weiblichen Kinostars der Welt.

Als Sexsymbol in der Nachfolge von Monroe und Mansfield spielte der Kurvenstar in zahlreichen internationalen Produktionen mit und war Ende der 1960er Jahre eine der populärsten amerikanischen Filmschauspielerinnen. Außer in Vamp-Rollen wurde sie auch gerne als Lateinamerikanerin besetzt. Neben James Stewart und Dean Martin spielte sie 1968 in Andrew V. McLaglens Mexiko-Western "Bandolero!"¹⁾ (Bandolero²⁾) mit oder war ein Jahr später als mexikanische Indianerin in Tom Gries' "100 Rifles"¹⁾ (100 Gewehre) zu sehen.
1970 erhielt sie die Titelrolle eines zur Frau gewandelten Mannes in Michael Scarnes "Myra Breckingridge" (Myra Breckingridge – Mann oder Frau?), der zum Flop wurde und von Kritikern in aller Welt gerne zu den schlechtesten Filmen aller Zeiten gezählt wird. Richard Lester besetzte sie 1973/74 in seinen zwei ironischen Dumas-Verfilmungen "The Three Musketeers"¹⁾ bzw. "Four Musketeers", wo sie D'Artagnans Geliebte Constance, eine beherzte junge Dame mit tragischem Ende mimte. In Claude Zidis' actionreichen Komödie "L'Animal"¹⁾ (Ein irrer Typ) ließ sich der Star dann 1977 von einem "doppelten" Jean Paul Belmondo umschwärmen.

Der Übergang zum Charakterfach gelang Raquel Welch nicht und Ende der 1970er Jahre zog sich die Schauspielerin weitgehend vom Showbusiness zurück. Gelegentlich nahm sie noch Aufgaben in TV-Produktionen war und verdiente mit einem Aerobic-Video ganz ansehnliche Summen. 1982 versuchte das ehemalige Seysymbol am Broadway ein Comeback in dem Musical "Woman of the Year", aber der Erfolg blieb aus. 1984/85 war sie unter anderem bei den "Muppets" zu sehen und in "Die nackte Kanone 33 1/3"¹⁾ hatte sie 1994 einen Gastauftritt. In jüngerer Zeit nahm Raquel Welch schon noch mal die eine oder andere Rolle an, agierte unter anderem in den Komödien "Legally Blonde"¹⁾ (2001, Natürlich blond) und "Tortilla Soup" (2001, Tortilla Soup – Die Würze des Lebens); zu ihren letzten Arbeiten vor der Kamera zählt 2008 die TV-Serie "Welcome to the Captain", den Geschichten über einen Apartment-Komplex in Los Angeles.