Uczyła się w szkole im. Auguste Victoria w Berlinie, którą ukończyła egzaminem maturalnym. Uczęszczała także na lekcje gry na skrzypcach u profesora Dessau. W latach 1919-1921 studiowała w Wyższej Szkole Muzycznej w Weimarze u Roberta Reitza, a potem w Berlinie u Carla Flescha. Z powodu zapalenia ścięgien, musiała przerwać naukę muzyki. Następnie pracowała jako modelka, a także grywała drobne role na scenach Berlina. W roku 1922 zadebiutowała w filmie - zagrała pokojówkę w produkcji
Georga Jacoby "
Mały Napoleon".
17 maja 1923 roku poślubiła
Rudolfa Siebera, a 12 grudnia 1924 roku urodziła się ich córka Maria. Małżeństwo to rozpadło się po dwóch latach. Rudolf zajął się wychowywaniem dziecka, zaś Marlena odwiedzała kolejne łóżka swoich amantów i amantek. Od roku 1925 z powrotem podjęła pracę w teatrze, występując w rewiach i komediach, w Wiedniu i Berlinie. 15 maja 1928 roku odbywa się premiera rewii "Es liegt in der Luft". Piosenka "Wenn die beste Freundin" staje się pierwszym nagraniem płytowym aktorki. W roku 1930 Dietrich podpisuje kontrakt z Paramount Pictures. 1 kwietnia 1930 roku - premiera "
Błękitnego Anioła", najsłynniejszego filmu z jej udziałem. W tym samym roku udaje się do Hollywood, gdzie w Paramount gra wampa w siedmiu filmach reżyserowanych przez
Sternberga. Za rolę w "
Maroko" otrzymuje nominację do Oscara.
Swoje podziwiane na całym świecie nogi każe ubezpieczyć na miliony dolarów. Po zakończeniu współpracy ze
Sternbergiem objawia się w rolach komediowych. 9 czerwca 1939 roku Dietrich otrzymuje amerykańskie obywatelstwo. W czasie wojny angażuje się w walkę przeciw hitlerowskim Niemcom. Od 1943 roku występuje w spektaklach dla żołnierzy amerykańskich. W roku 1945 po raz pierwszy od dłuższego czasu odwiedza Niemcy, w listopadzie umiera jej matka. Po drugiej wojnie światowej w filmach grywa już tylko sporadycznie. W roku 1960 wyrusza na tournee po Niemczech Zachodnich. Podczas jej występów dochodzi do zamieszek, z powodu jej zaangażowania na rzecz aliantów.
Po złamaniu kości udowej w Australii, w roku 1975 musi ostatecznie pożegnać się ze sceną. Od tej pory żyje w odosobnieniu, w swoim mieszkaniu w Paryżu. W roku 1979 ukazują się wspomnienia aktorki. Marlena Dietrich zmarła 6 maja 1992 roku w mieszkaniu, w którym spędziła ostatnie lata swojego życia, zaś 10 dni później odbył się - zgodnie z jej ostatnią wolą - pogrzeb w Berlinie, na cmentarzu Friedenau.
Ernest Hemingway powiedział o Dietrich: "Gdyby nie miała nic prócz głosu, i tak by ci złamała serce".