Sus interpretaciones en Cárcel de mujeres y Piel canela abrieron a Sara Montiel las puertas para entrar a Hollywood en 1954. Allí llegaría a ser la primera artista española en obtener éxito, trabajando con varias de las máximas figuras del Star-system de la época como Gary Cooper, Burt Lancaster, Joan Fontaine y Vincent Price.
Su primer trabajo en la «Meca del cine» fue en el western Veracruz, dirigido por Robert Aldrich con un plantel de célebres actores tales como Gary Cooper, Burt Lancaster, Denise Darcel, Cesar Romero, Ernest Borgnine y Charles Bronson. Con Veracruz, donde encarnaba a una guerrillera mexicana bella y temperamental, Sara Montiel logró índices de popularidad que jamás había tenido una artista española. En los créditos de esta cinta apareció con el nombre de Sarita Montiel, y así figuraría en sus restantes trabajos en Hollywood, donde llegó a ser apodada «la bomba latina».
Según varias fuentes, la actriz recibió un contrato estándar de siete años extendido por Harry Cohn, magnate de la empresa estadounidense Columbia Pictures, pero lo rechazó pues temía que un acuerdo de exclusividad la encasillase en papeles de hispana. Por ello, sus siguientes trabajos fueron como actriz independiente para diferentes empresas productoras, y llegado el momento, ella tendría libertad para regresar a España sin seguir atada a un contrato.
Su segundo trabajo en Estados Unidos fue la película musical Serenade (conocida en español como Serenata o Dos pasiones y un amor), basaba en un relato de James M. Cain y protagonizada por el tenor y actor Mario Lanza. Él contó que eligió a Sara como partenaire a raíz de que su hija Colleen la vio en una revista mexicana y opinó: «Es la mujer más guapa que he visto en mi vida». El reparto de Serenade incluyó a dos estrellas ya legendarias: Joan Fontaine y Vincent Price. El rodaje comenzó con una mala relación entre las dos actrices principales, lo cual en cierta manera reflejaba la tensión de sus personajes: en una memorable escena, Sara da unos pases de toreo y amenaza a Joan apuntándola con un estoque. Por suerte, la actriz española se ganó la amistad de la diva americana con un halago: durante la toma de unos primeros planos donde Joan Fontaine no aparecía, Sara le rogó que permaneciese ante ella, a fin de sentir mejor las emociones de la escena. Se hicieron amigas, y Fontaine la ayudaría a conseguir su siguiente papel. Durante el rodaje de esta producción Sara Montiel conoció a quien sería su primer esposo, Anthony Mann, el director de la cinta, y en los descansos trató con Elizabeth Taylor y James Dean, quienes rodaban Gigante en un plató cercano.
Vídeo: Veracruz – Sarita Montiel y Burt Lancaster
Durante una breve estancia en España Sara rodó El último cuplé, y sin esperar a su estreno, regresó a Estados Unidos para abordar su tercer filme en Hollywood, en esta ocasión para la compañía RKO Pictures: Run of the Arrow de Samuel Fuller (película que en España fue titulada Yuma). Este filme fue producido por el marido de Joan Fontaine, quien intercedió para que Sara obtuviese el único papel femenino relevante. Aquí ella interpretaba a una india sioux y tuvo por compañeros a Rod Steiger, Ralph Meeker, Brian Keith y nuevamente a Charles Bronson. El director Samuel Fuller relató que Sara congenió rápidamente con los indios reales que participaban en el filme como figurantes; en poco tiempo se entendió con ellos, lo cual llamó la atención de Clark Gable, quien rodaba otra película en un paraje cercano y acudió a conocer a la actriz española. Otro dato curioso es que según algunas fuentes, la voz de Sara fue doblada por la joven actriz Angie Dickinson.