Её отцом был офицер полиции Луи Эрих Отто Дитрих, матерью – Вильгельмина Элизабет Джозефина Фельзинг. Луи Дитрих умер в 1911 году, и в 1916 году на его вдове женился друг семьи Эдуард фон Лош, но вскоре скончался от ранений, полученных в Первой мировой войне. В семье Марлен звали «Лена» или «Лене», и примерно в возрасте 11 лет она сложила «Марию» и «Лене», в результате получилось всем известное имя «Марлен». С детства Дитрих увлекалась театром, поэзией, музыкой, осваивала скрипку с профессором Дессау, позже училась у профессора Райца, была зачислена в школу актёров Макса Рейнхардта. В 1922 году ей дали небольшие роли в спектаклях, в этом же году она получила первую маленькую роль в кинокартине «So sind die Männer». На съемках следующего фильма с её участием, «Tragödie der Liebe», актриса встретила своего будущего мужа, Рудольфа Зибера, и в 1923 году, 17 мая они играют свадьбу. В 1924 году у них родилась дочь, которую назвали Марией.
Через год Марлен Дитрих снова начала играть в театре и кино. В 1929 году Джозеф фон Штернберг пригласил её на роль в фильме «Голубой ангел», который имел большой успех, и в 1930 году Дитрих уезжает из Берлина в Голливуд, чтобы сотрудничать с кинокомпанией «Парамаунт». Шесть кинокартин, которые они сняли вместе со Штернбергом, прославили актрису на весь мир. Она стала эталоном красоты, изящества, женственности.
Из Германии ей несколько раз приходили очень выгодные предложения от партии национал-социалистов, Геббельс просил Дитрих вернуться на родину и выбрать режиссёра, продюсера и даже тему фильма, но она отказала ему. В 1939 она получила американское гражданство.
Во время второй мировой войны Марлен Дитрих прекратила все съёмки и вылетела в Европу, чтобы подержать солдат. После войны американцы наградили её медалью, а французы – двумя орденами.
Вернувшись в Америку в 1947 году, Марлен снова стала участвовать в фильмах, вела передачи на радио, писала статьи в женские журналы. С 1953 Дитрих исполняла песни в театрах, почти не участвуя в киносъёмках – только в небольших эпизодах. В середине пятидесятых она наняла пианиста Бёрта Бакарака, в сотрудничестве с которым она записала 4 альбома и несколько песен, не вошедших в них.
В 1960 году Марлен Дитрих приехала в Германию на гастроли. Из-за того, что она поддерживала противников своей родины в период Второй мировой войны, многие немцы считали, что певица предала их, во время её выступления раздавались крики «Марлен, возвращайся домой».
В 1963 году она пела в Москве и Ленинграде.
В 1975 году во время пребывания в Австралии она сломала ногу, этот несчастный случай послужил окончанием её карьеры.
Последним фильмом с её участием был «Красивый жиголо – бедный жиголо», в котором также снялся Дэвид Боуи.
6 мая 1992 года Марлен Дитрих умерла в Париже.