Velký zlom zažila, když byla vybrána společností 20th Century Fox, aby hrála ve sci-fi filmu z roku 1966 Fantastická plavba.
Tentýž rok si zahrála ve filmu One Million Years BC, kde se proslavila rolí Welchovy jeskyňky v bikinách.
Získala Zlatý glóbus za nejlepší herečku v komedii nebo muzikálu Tři mušketýři (1973), kde hrála královninu švadlenu.
Z natáčení Cannery Row v roce 1982 byla Welch vyhozena, protože trvala na tom, že si vlasy a make-up bude dělat doma. Zažalovala MGM Studios za porušení smlouvy a nakonec vyhrála vyrovnání 15 milionů dolarů.
Welch, milovnice jógy, se později pustila do podnikání pro dobrou náladu a v roce 1984 vydala svůj program Total Beauty and Fitness.