Marelene Dietrich egy porosz rendőrtiszti családba született, Marie Magdalene néven, a Marlene művésznevet csak később vette fel. Marlene 1918-ban végzett a weimari Zeneművészeti Főiskolán, ahol hegedűművészetet tanult. Első színpadi szerepét 1921-ben kapta, rendezője Max Reinhardt volt.

1923-ban férjhez ment Rudolf Sieberhez, a következő évben megszületett Maria nevű lányuk. Marlene Dietrich életében 1930-ban bekövetkezett a hazai és nemzetközi siker Lola Lola szerepével a „A kék angyal” című filmben, amely Heinrich Mann Ronda tanár úr regénye alapján készült. Szintén 1931-ben Oscar-díjra jelölték a Marokkó című filmbeli szerepéért. Ekkor nyíltak meg számára a hollywoodi ajtók is, amerikai útja során szerződést kötött a Paramount Pictures-szel. A színésznő legaktívabb érája egybeesett a náci párt németországi hatalomra kerülésével, Dietrich azonban elutasította Göbbels ajánlatát. Tette ezt annak ellenére, hogy a propagandaminiszter szabad kezet és hatalmas díjazást ígért neki. Maradt Amerikában, döntése pedig helyesnek bizonyult: olyan nagy nevekkel dolgozhatott együtt, mint Alfred Hitchcock, Ernst Lubitsch, Orson Welles vagy éppen Billy Wilder. Az amerikai állampolgárságot 1939-ben kapta meg.

Dietrich kritikusan szemlélte a hitleri rezsimet, így mindenképpen tenni akart az ügyért. Így történt, hogy a színésznő a frontvonalhoz legközelebb szolgáló katonáknak adott ingyenes előadásokat, a háború végét követően pedig azonnal Németországba utazott, ahol sok év után láthatta viszont 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 években felhagyott a színészi pályával, és kizárólag énekesnőként lépett színpadra, zenei kísérője egy évtizeden keresztül Burt Bacharach volt. Ennek ellenére 1961-ben vele készült az Ítélet Nürnbergben című alkotás, akárcsak az utolsó, 1978-ban leforgatott Dzsigoló is. (Ha nem számítjuk a már tolószékbe kényszerült 1979-es játékát)

Marlene Dietrich élete azonban nem volt méznyalás. A hetvenes évekre teljesen úrrá lett rajta az alkohol, az évtized végére remeteként élt egy párizsi lakásban. Annyira szégyellte időskori arcát, hogy a róla készült 1984-es dokumentumfilmhez csakis a hangját volt hajlandó kölcsönözni. 1992. május 6-án Párizsban halt meg, hivatalosan szív- és veseelégtelenségben. Marlene Dietrichet kívánságának megfelelően Berlinben temették el. Szülővárosa a megbékélés gesztusaként halála után tíz évvel fogadta díszpolgárává, nevét ma utca és tér viseli a német fővárosban, és 2011. szeptemberében ő kapta az első csillagot a berlini Hírességek sétányán.

Marlene Dietrich sosem titkolta biszexuális orientációját, Ona Munsonnal való viszonyáról szinte mindenki tudott. Szerelmi viszony fűzte emellett több híres személyhez is: hódításai között tartják számon a Kennedy család több tagját, Frank Sinatrát, James Stewartot, Gary Coopert vagy éppen Ernest Hemingwayt.
A róla készült életrajzi filmet, amely a Marlene címet viseli, 2000-ben mutatták be a német mozik. „Dietrich 1978-ban kiadott életrajzi könyvét, Tiétek az életem címmel magyarul is kiadták. A lánya, Maria Riva a kilencvenes évek elején írott könyve, a Marlene Dietrich az Amerikai Egyesült Államokban a bestsellerlisták élére került,” írja az ATEMPO.sk kulturális portál.