Marie Magdalene Dietrich von Losch fiatalon jutott félárvaságra, anyja ezután egy katonatiszthez ment feleségül. Nevelőapja eszményi német feleséget akart faragni a lányból, aki így megtanult zongorázni, hegedülni, sütni, főzni, franciául beszélni és gyűlölni a porosz drillt. Zenei álmait egy kézsérülés törte ketté, ezután Berlinben Max Reinhardt színi iskoláját látogatta. Statisztálásnál többre (ekkor még) nem vitte, viszont megismerkedett Rudolf Sieber rendezővel, aki 1924-ben feleségül vette. A rövid házasságból egy lány született, így Marlene már anyaként lett világsztár 1929-ben a Josef von Sternberg rendezte Kék angyal című filmnek köszönhetően. Lola, az életunt bárénekesnő szerepéből főként hosszú lába maradt emlékezetes, ezután sokszor fényképezték lentről felfelé haladva, a hangsúlyt egymillió dollárra biztosított lábára helyezve.
A formás végtagok először 1930-ban léptek amerikai földre: gazdájukat a Paramount Stúdió szerződtette "a végzet asszonyának", kimondottan is Greta Garbo riválisának. Bár kezdetben kiejtési gondjai voltak, Marlene pár év alatt a legjobban kereső sztárok közé küzdötte fel magát, de a pénzt el is költötte ruhákra, könyvekre, általában a művészetekre. Amikor a nácik a "német filmipar uralkodó királynőjének" hívták haza, nemet mondott. Sőt, amerikai állampolgárságért folyamodott, és minden eszközzel segítette a fasizmus elől menekülő emigránsokat, akikre olykor maga főzött. "Kosztosai" egyike Jean Gabin volt, akivel szenvedélyes szerelembe esett.
A második világháború idején minden más hírességnél több hadikötvényt vásárolt, a fronton, nemegyszer életveszély közepette szórakoztatta a katonákat, a háború végén tiszti rangot, a legmagasabb amerikai és francia polgári kitüntetést is megkapta. Hollywoodba visszatérve a legnagyobb rendezőkkel dolgozott, talán legismertebb filmje A vád tanúja és a politikai állásfoglalását is tükröző Ítélet Nürnbergben, ő mondta a nürnbergi háborús bűnösök peréről szóló dokumentumfilm szövegét. Szerepelt vígjátékokban, könnyebb darabokban is, Oscar-díjra csak egyszer, 1931-ben jelölték.
A rekedtes hangú Dietrich 1953-tól sanzonénekesként is fellépett, méghozzá tomboló sikerrel: rekordja 69 vasfüggöny volt. Ráadásként mindig a Lili Marleen című katonadalt énekelte, és elhangzott az elesett katonákról szóló, Hova tűnt a sok virág is, mindig németül. Németországi vendégszereplését nem egyszer tüntetések kísérték a "hazaáruló" ellen. 1975-ben combnyaktörése miatt visszavonult, utolsó filmje, a Csak egy dzsigoló 1978-ban a sztárparádé dacára bukás lett.
Élete végén visszavonultan élt Párizsban. Az 1986-ban róla készült dokumentumfilmben arcát már nem engedte megmutatni, a közönség emlékezetében régi szépségében akart megmaradni. A külvilággal telefonon tartotta a kapcsolatot, szinte csak lánya látogathatta. Marlene Dietrich 1992. május 6-án halt meg Párizsban, végakaratának megfelelően Berlinben temették el.
Híres volt gyűjtőszenvedélyéről, fotóin - ha nem volt magával elégedett - tollal karcsúbbra retusálta alakját, forgatásnál ügyelt az előnyös megvilágításra. Bár számtalan férfival és nővel hozták kapcsolatba, viszonyait diszkréten kezelte. Híres szakácsnő, szenvedélyes takarító és kiváló nagymama volt, s leginkább az emberi butaságot gyűlölte.