Welch llamó la atención de los aficionados al cine por su papel en el filme de ciencia ficción de 1966 Fantastic Voyage, a la que siguió su icónica aparición ese mismo año en el drama prehistórico Un millón de años antes de Cristo.

Aunque Welch sólo tenía unas pocas líneas de diálogo en Un millón de años antes de Cristo, las imágenes de su memorable aparición en un bikini de piel la convirtieron en un símbolo sexual mundial.

Otros papeles en la pantalla a finales de la década de 1960 y principios de la de 1970 incluyeron protagónicos en Bedazzled, ¡Bandolero!, 100 Rifles, Myra Breckinridge y Hannie Caulder.

A la actriz trigueña se le atribuyó el mérito de haber reformado el estereotipo del símbolo sexual tradicional, y se consideró que su ascenso a la fama acababa con el gusto de Hollywood por las rubias.