Op 27 december 1901 werd Marie Magdalena Dietrich geboren als kind van de Pruisische officier Louis Erich Otto Dietrich en Elisabeth Josephine Felsing, erfgename van een rijke horlogemakersfamilie. Ze heeft lang geprobeerd het idee op te houden dat ze in 1904 geboren was. Haar voornaam "Marlene" creëert zij als kind uit haar beide voornamen. Zij zou hem later gebruiken als een artiestennaam waarmee de hele wereld haar zou aanspreken. Uit de afleiding blijkt overigens dat de vaak gebruikte uitspraak van deze naam, Marlène, niet juist is. Na een autoritaire opvoeding huwt ze op 27 mei 1923 met Rudolf 'Rudi' Sieber met wie ze één dochter, Maria Elizabeth Sieber, had.

Grote bekendheid kreeg ze met haar rol als revuezangeres Lola in de film Der blaue Engel, vooral met het lied Ich bin von Kopf bis Fuß auf Liebe eingestellt. Deze film van Josef von Sternberg uit 1930 wordt nu gezien als een van de meest tijdloze films ooit gemaakt. Tijdens de Tweede Wereldoorlog werd ze nog bekender met haar vertolking van het liedLili Marleen.

In 1930 verhuisde Dietrich naar de Verenigde Staten, waar ze met von Sternberg nog diverse andere succesvolle films opnam, onder andere Shanghai Express, Blonde Venusen The Devil Is a Woman. Door haar dominante persoonlijkheid slaagde ze er als eerste acteur in om een winstpercentage van de opbrengst van haar films contractueel vast te leggen. Ze werd door Hitler gevraagd terug te keren naar Duitsland. Hij zag in haar het toonbeeld van de Duitse vrouw. Maar ze weigerde. Ze verafschuwde alles waar Hitler voor stond. Ze kreeg de Amerikaanse nationaliteit. In haar nieuwe paspoort stond 1904 als geboortedatum.

In de oorlog ging ze, samen met onder meer de komiek Danny Thomas, naar Europa om voor de geallieerde soldaten aan het front op te treden en hun moreel te versterken. Haar moeder was de hele oorlog in Berlijn blijven wonen en overleed kort na de oorlog. Ze ontmoette na de oorlog haar zuster, die pro-Hitler was, en verbrak elke relatie met haar.

Ze trad in 1960 nog eenmaal in Berlijn op; ze werd uitgejoeld als verraadster en is nooit meer in Duitsland teruggekeerd.

Dietrich was een symbool van glamour en verleidelijkheid. Niet alleen haar uiterlijke verschijning, ook haar seksuele escapades zorgen voor bewondering en minachting. Ze kwam er openlijk voor uit biseksueel te zijn. "Ein bisschen bi schadet nie" is een uitspraak van haar. Onder haar vrienden bevonden zich het Amerikaanse sekssymbool Mae West, schrijver Ernest Hemingway, Noël Coward, acteur Louis Bozon en Hildegard Knef. Ze had onder andere een relatie met John F. Kennedy, Mercedes de Acosta, Douglas Fairbanks, Jean Gabin, Theodore von Kármán en Claudette Colbert.

Toen haar filmcarrière stokte begon Dietrich een nieuwe loopbaan als zangeres en entertainster. Concerttournees en optredens in Las Vegas met een orkest onder leiding vanBurt Bacharach brachten haar nieuwe faam. Met Dietrich zelf ging het minder goed; zij raakte verslaafd aan alcohol en slaappillen en had steeds meer moeite haar ouderdom te verbergen. Op tournee in Australië in 1975 brak zij een been. Zij zou nooit meer in de openbaarheid verschijnen.

In 1992 overleed ze, na 15 jaar als een kluizenaar geleefd te hebben, in haar appartement in Parijs. Als een gebaar van verzoening is ze in Berlijn begraven.

Dietrichs dochter Maria Riva publiceerde na haar moeders dood een onthullend boek over haar moeder waarin de schandalen, het drank- en drugsmisbruik en het egocentrismevan haar moeder worden onthuld. Het boek wijst ook op Dietrichs discipline, vakmanschap en haar inzet voor de geallieerde zaak in de Tweede Wereldoorlog.

Een deel van Dietrichs bezittingen, waaronder haar garderobe en haar "Haute couture", is in het filmmuseum in Berlijn ondergebracht.

In 1947 ontving Marlene Dietrich voor haar uitzonderlijke verdiensten tijdens de oorlog de Medal of Freedom, de hoogste Amerikaanse eretitel die normaal enkel aan militairen wordt uitgereikt. In 1951 kreeg ze in Frankrijk de eretitel van Ridder in het Legioen van Eer.