Les seves interpretacions a Presó de dones i Pell canyella van obrir a Sara Montiel les portes per entrar a Hollywood i 1954. Allí arribaria a ser la primera artista espanyola a obtenir èxit, treballant amb diverses de les màximes figures del Star-system de l'època com Gary Cooper, Burt Lancaster, Joan Fontaine i Vincent Price.
El seu primer treball a la Meca del cine va ser al western Veracruz, dirigit per Robert Aldrich amb un planter de cèlebres actors com ara Gary Cooper, Burt Lancaster, Denise Darcel, Cessar Romero, Ernest Borgnine i Charles Bronson. Amb Veracruz, on encarnava una guerrillera mexicana bella i temperamental, Sara Montiel va aconseguir índexs de popularitat que mai havia tingut una artista espanyola. Als crèdits d'aquesta cinta va aparèixer amb el nom de Sarita Montiel, i així figuraria en la resta de treballs a Hollywood, on va arribar a ser anomenada «la bomba llatina».
Segons diverses fonts, l'actriu va rebre un contracte estàndard de set anys estès per Harry Cohn, magnat de l'empresa nord-americana Columbia Pictures, però ho va rebutjar doncs temia que un acord d'exclusivitat l'encaselli en papers d'hispana. Per això, els seus següents treballs van ser com a actriu independent per a diferents empreses productores, i arribat el moment, ella tindria llibertat per tornar a Espanya sense seguir lligada a un contracte.
El seu segon treball als Estats Units va ser la pel·lícula musical Serenata (coneguda en espanyol com Serenata o Dues passions i un amor), basava en un relat de James M. Cain i protagonitzada pel tenor i actor Mario Llança. Ell va explicar que va triar Sara com a partenaire arran que la seva filla Colleen la va veure en una revista mexicana i va opinar: «És la dona més maca que he vist a la meva vida». El repartiment de Serenata va incloure dues estrelles ja llegendàries: Joan Fontaine i Vincent Price. El rodatge va començar amb una mala relació entre les dues actrius principals, la qual cosa en certa manera reflectia la tensió dels seus personatges: en una memorable escena, La Sara fa unes passades de toreig i amenaça a Joan apuntant-la amb un estoc. Per sort, l'actriu espanyola es va guanyar l'amistat de la diva americana amb un afalac: durant la presa d'uns primers plànols on Joan Fontaine no apareixia, Sara li va pregar que romangués davant seu, per sentir millor les emocions de l'escena. Es van fer amigues, i Fontaine l'ajudaria a aconseguir el paper següent. Durant el rodatge d'aquesta producció, Sara Montiel va conèixer qui seria el seu primer marit, Anthony Mann, el director de la cinta, i als descansos va tractar amb Elizabeth Taylor i James Dean, els que rodaven Gegant en un plató proper.
Vídeo: Veracruz – Sarita Montiel i Burt Lancaster
Durant una breu estada a Espanya Sara va rodar L'últim cuplé, i sense esperar la seva estrena, va tornar als Estats Units per abordar el seu tercer film a Hollywood, en aquesta ocasió per a la companyia RKO Pictures: Corre de la fletxa de Samuel Fuller (pel·lícula que a Espanya va ser titulada Yuma). Aquest film va ser produït pel marit de Joan Fontaine, qui va intercedir perquè Sara obtingués l'únic paper femení rellevant. Aquí ella interpretava una índia sioux i va tenir per companys Rod Steiger, Ralph Meeker, Brian Keith i novament a Charles Bronson. El director Samuel Fuller va relatar que Sara va congeniar ràpidament amb els indis reals que participaven al film com a figurants; en poc temps es va entendre amb ells, la qual cosa va cridar l'atenció de Clark Gable, qui rodava una altra pel·lícula en un paratge proper i va anar a conèixer l'actriu espanyola. Una altra dada curiosa és que segons algunes fonts, la veu de Sara va ser doblegada per la jove actriu Angie Dickinson.