Marie Magdalene Dietrich, vagyis Marlene Dietrich porosz rendőrtiszti családban született 1901-ben Berlinben. Apja egy lovasbalesetben halt meg, amikor a lánya még csak 10 éves volt, édesanyja újraházasodott, és egy katonatiszthez ment hozzá, aki aztán az I. világháborúban esett el. Marlene zenélni tanult, bár a wilmersdorfi városrészben lévő zeneiskolában nem tűnt ki különösebben a tehetségével. Viszont rendkívül elszántan gyakorolt, és végül a zongorán is tökéletesen játszott. Ehhez képest a weimari zeneművészeti főiskolán már hegedűművésznek készült, ám a túl sok gyakorlás állandó ínhüvelygyulladással járt, úgyhogy fájó szívvel, de lemondott a pályáról.

22 évesen ment férjhez Rudolf Sieber filmes szakemberhez, és 53 éven át, egészen a férje haláláig kitartott mellette. Egy évvel a házasságkötés után megszületett egyetlen gyerekük, aki Maria Riva néven szintén próbálkozott a színészettel, de soha nem tudott kilépni Dietrich árnyékából, élete nagyrészt anyja hagyatékának kezelésével telt. Dietrich és Sieber nyílt házasságban éltek, a biszexuális színésznőnek rengeteg szeretője volt. Pályatárs színésznőktől kezdve, Gary Cooperen és John Wayne-en át, állítólag a Kennedy család több tagja és még számos híresség került az ágyába. Igazán egyiküket sem tudta közel engedni magához, a férje ellenben mindig ott volt a számára, és tudott is a felesége ügyeiről, sőt a legenda szerint nem egyszer együtt olvasgatták a Dietrichnek írt szerelmesleveleket.

A nagy áttörést jelentő szerepet A kék angyalban (1930) szintén egy titkos kapcsolatának köszönhette. Egyes források szerint már akkor Josef von Sternberg rendező szeretője volt, mielőtt megkapta volna Lola, a bárénekes szerepét – ezt igazolja a tény, hogy korábban már leszerződtettek egy ismert színésznőt, Käthe Haackot, akinek aztán mennie kellett. Más verzió szerint ők ketten a forgatás alatt jöttek össze, és amikor von Sternberg felesége rájött a dologra, a pár New Yorkba utazott, hogy ott kezdjenek új életet. Csakhogy a feleség tudott a tervről, és előbb ért ki Amerikába, hogy aztán a mólón várja a hajóról leszálló férjét és annak szeretőjét, hogy a kezükbe nyomhassa a válási iratokat.

Nem mellesleg a két nyelven, németül és angolul leforgatott A kék angyal volt a hangosfilm történetének egyik első jelentős sikere, Dietrich és von Sternberg még sokáig együtt maradtak. Összesen hét filmet készítettek közösen, a második ezek közül első amerikai produkciójuk, a Marokkó (1930) volt, a színésznő első és egyetlen munkája, amelyért Oscarra jelölték – és egyben ő lett az első német színésznő, akit Oscarra jelöltek.

Ebben a filmben vett fel először nadrágot és frakkot, amit ekkor még több országban törvény tiltott, és jó eséllyel ez az első hollywoodi film, amelyben egy nő egy nőt csókol meg.  

Bár mindössze egyszer jelölték az Oscarra, összesen négy olyan filmben játszott, amiket szintén jelöltek a díjra. Ezek a Sanghaj express (1932), a 80 nap alatt a föld körül (1956), A vád tanúja (1957) és az Ítélet Nürnbergben (1961). Ez utóbbi film különösen fontos volt a nácizmus elleni harc mellett oly mélyen elkötelezett Dietrich számára, aki a szokásos gázsija töredékkért vállalta a szerepet. A forgatás előtt a színésznő plasztikai műtéten esett át, és ettől amúgy is éles arcvonásai még hangsúlyosabbá váltak – amikor a film premierjén a mozivásznon szembesült ezzel, rendkívül kellemetlenül érezte magát. A négy Oscar-jelölt film közül egyébként csupán a 80 nap alatt a föld körül nyerte el a díjat.

Dietrich első hollywoodi évei nagy sikernek számítottak, de pár év után alábbhagyott a nagy lelkesedés, és nem nagyon kapott új szerepeket. A visszatérést – vagy karrierjének új lendületét – az Asszonylázadás (1939) című western-vígjáték jelentette, aminek a főszerepét nagyrészt pont azért kapta meg, mert kényszerből jóval kevesebbért mondott igent, mint versenytársai. A forgatás alatt viszonya volt a férfi főszereplővel, James Stewarttal, akitől teherbe is esett. A színésznő végül a botrány elkerülése végett abortuszra kényszerült, de az egészet olyan „diszkréten” rendezték le, hogy Stewart még  magáról a terhességről sem tudott.

Marlene Dietrich csupa ellentmondás volt. Bár a lábat tartotta a legkevésbé vonzó emberi testrésznek, gyakran megvillantott hosszú combja tette sztárrá, és bár igazi szexszimbólum lett Hollywoodban, igazán jól akkor érezte magát, ha tipikus hausfrauként, vagyis háziasszonyként viselkedett. Imádott takarítani, padlót sikálni, főzni, másoknak segíteni, sokkal jobban érezte magát kezeslábasban vagy munkásruhában, mint nagyestélyiben.

Miután (egyik) szerelme, Jean Gabin csatlakozott a francia ellenálláshoz, Marlene Dietrich is tenni akart valamit a hitleri rezsim elleni harcban. Ezért énekesnőként az amerikai katonáknak tartott előadásokat, a lehető legközelebb a frontvonalhoz, hadikórházakat látogatott. A háború végén az első amerikai csapatokkal Németországba érkezett, és sikerült viszontlátnia édesanyját és nővérét. Politikai kiállása a hitleri náci ideológia ellen nemzetközi téren sok elismerést szerzett: 1947-ben megkapta a civilek által elérhető legmagasabb amerikai kitüntetést (Medal of Freedom), 

1950-ben pedig a Francia Becsületrend lovagja lett.

Az ötvenes éveitől kezdve fokozatosan leállt a színészi munkával. már csak kabarékban, énekesnőként lépett színpadra, miközben alkoholproblémával – és ennek következményeként egy súlyos lábtöréssel kínlódott - és filmekben csak elvétve, apró szerepekben tűnt fel. A hetvenes évek után pedig már azokban sem: teljesen visszavonult élt a párizsi otthonában, mert nem akarta, hogy a rajongói öregként emlékezzenek rá. Még amikor a híres német színész, Klaus Maria Brandauer (Szabó István Mephistójának címszereplője) 1984-ben dokumentumfilmet forgatott az életéről, az idős Dietrich akkor is csupán a hangját kölcsönözte a filmhez, az arcát nem.

1992-ben Párizsban halt meg, hivatalosan szív- és veseelégtelenségben. Ugyanakkor titkárnője és barátnője, Norma Bosquet, aki élete utolsó heteiben naponta meglátogatta, azt állította, hogy az évek óta tolókocsiban élő, illetve ágyhoz kötött színésznő végül altató-túladagolással lett öngyilkos. A francia fővárosban óriási gyászszertartást szerveztek neki hírességek, államfők és sok ezernyi tisztelője részvételével: majd a testét kívánsága szerint Berlinben helyezték örök nyugalomra, ahol szintén nemzeti szimbólumnak kijáró tisztelettel búcsúztatták.