Hija de un oficial de la policía de la aristocracia prusiana y descendente de joyeros. Fue sometida a una estricta educación y pronto demostró sus magníficas aptitudes para la música y el canto. Empezó estudiando piano, para pasarse más tarde al violín, del que pensaba seriamente convertirse en una concertista. Formó su nombre artístico con las dos últimas sílabas de sus nombres de pila. Mientras estudiaba arte drámatico tuvo la oportunidad de hacer pequeños papeles en obras teatrales y en películas mudas alemanas. Un año más tarde es seleccionada para un papel en "Tragedia de amor", película que marcará sus verdaderos inicios artísticos.

Su gran oportunidad en el cine le llega con el personaje de Lola-lola de "El ángel azul", y con él se cruza en su vida el diretor Josef von Sternberg, su "pigmalión" y eterno enamorado.

Josef von Sterberg la convirtió en mito erótico y en mujer fatal. Con él se le abrieron los caminos del nuevo mundo y de su mano entró en el cine americano. En Hollywood la convirtió en estrella con personalidad propia (la hizo adelgazar 15 kilos y le cambió el maquillaje para acentuar la palidez de su rostro). Este director la dirigió en siete películas.

En 1938 le llegó una oferta de Adolf Hitler con unas condiciones fabulosas pero Marlene Dietrich la rechazó haciendo patente su antinazismo. El ejército alemán nunca le perdonó que cantara a los norteamericanos y después de su muerte su tumba ha sido profanada por fanáticos nazis que dejaron en ella dibujos de cruces gamadas.

Se casó una sola vez (con Rudolf Sieber, quien también trabajaba en el mundo cinematográfico como ayudante de dirección y de ese matrimonio nació su única hija, María, apodada Heidede. Mantuvo numerosos romances tanto con hombres como con mujeres que causaron notable escándalo. A finales de 1939, Marlene conoce en París a Jean Gabin y vive con él uno de sus más intensos romances, que finalizó después de rodar "La bella extranjera".

La última película que rodó fue "Gigolo" de David Hemmings en 1978.