Grethe Holmer Poulsen var datter af kassekontrollør Henrik Poulsen og skuespillerinden Gerda Marie Holmer (16-01-1904). Siden 1929 medvirkede hun i forestillinger på forskellige københavnske scener og gik på Det kgl. Teaters balletskole 1930-33. Hun filmdebuterede allerede 11/8-1939 som Vibeke i filmen "Skilsmissens børn" og debuterede på Aarhus Teater 26. december samme år som Pernette i "Lykkelige dage" og 11. august 1940 i samme rolle på Frederiksberg Teater. Derefter kom hun på Det kgl. Teaters elevskole 1941-1943. Senere gav hun i 1944 gæstespil i Oslo og var skuespillerinde ved forskellige københavnske teatre, bl.a. Folketeatret frem til 1961, ligesom hun var aktiv i Lommer-revyer. Hun kom til Odense Teater i sæsonen 1960-1961 og havde her en række store roller bl.a. i "Hedda Gabler". Hun var med til at starte skuespillerskolen ved Odense Teater i 1963 og blev året efter rektor for elevskolen. I denne egenskab deltog hun i adskillige kurser og seminarer og besøgte i studieøjemed skuespillerskoler i Polen, Skandinavien, Frankrig, England, Sovjetunionen, DDR og Vesttyskland. Efter at ægtemanden i 1978 blev væltet som chef, sagde hun i solidaritet sin stilling op som elevskole-leder på teatret. Hun forlod Odense Teater i 1980 og blev 1981-1985 leder af Aalborg Teaters Center for efter- og videreuddannelse af skuespillere og teaterteknikere. Senere spillede hun i "Ungt blod" på Det Kongelige Teater i 1995, "Isbjørnene" på Sorte Hest i 1996 og i "Skønhedsdronningen fra Leenane" på Husets Teater i 1997. I årene 1998-99 havde hun hovedrollen i DR's tv-komedieserie "Pas på mor". I 1950'erne medvirkede hun i flere af de klassiske Morten Korch film. Grethe Holmer medvirkede også i engelske og amerikanske TV-film og havde oplæsninger i foreninger og på højskoler. I 1979 fik hun en Bodil for bedste birolle i "Honning måne". Grethe Holmer blev den 16. juni 1942 viet til sceneinstruktør og skuespiller Kai Wilton i Frederiksberg Kirke. De fik tre børn, heriblandt teaterdirektør Kasper Wilton. I 1996 blev hun gift med skuespillerkollegaen Benny Poulsen, som hun en årrække forinden havde dannet par med.