Мария Магдалене Дитрих родилась 27 декабря 1901 года в городе Шёнебергм в семье прусского полицейского Отто Дитриха и его жены Джозефины Фельзинг.

1905 году родители Марлен развелись и она стала жить с матерью.

В 1907 году Марлен поступила в школу для девочек. Во время учебы в школе она научилась играть на скрипке и лютне.

В 1914 году, с началом военных действий, Марлен вместе с матерью переехала жить в Дессау.

В 1917 году они переехали в Берлин, где Марлен впервые выступила на публике, играя на скрипке.

В 1922 году она дебютировала в фильме "Меньший брат Наполеона", который не стал для актрисы успешным.

В середине 1920-х годов она познакомилась с известным режиссером фон Штернбергом, который пригласил ее на роль в фильме "Голубой ангел" (1930). Картина имела сногсшибательный успех, а вместе с ней успешной стала и Марлен Дитрих.

В том же году она снялась в первом для себя американском фильме "Марокко" (1930), который имел большой успех.

Затем последовали роли в фильмах "Обесчещенная, или Агент X-27" (1931), "Белокурая Венера" (1932), "Дьявол – это женщина" (1935), "Желание" (1936) и "Рыцарь без доспехов" (1937).

9 июня 1939 года Марлен Дитрих получила американское гражданство.

В том же 1939 году с ее участием вышла картина "Дестри снова в седле", где она снялась вместе с Джеймсом Стюартом.

В марте 1943 года прервала актёрскую карьеру и в течение трёх лет выступала с концертами в войсках союзников в Северной Африке, Италии и Франции.

В 1946 году Марлен исполнила главную роль в фильме "Мартин Руманьяк", где ее партнером по съемочной площадке был Жан Габен.

До 1950 года Марлен снялась в нескольких картинах, а также вела радиопередачи и писала статьи в гламурные журналы.

В 1950 году Марлен сыграла одну из главных ролей в фильме "Страх сцены", а в 1951 году вместе с Джеймсом Стюартом появилась в фильме "Нет пути".

В 1953 году в Лас-Вегасе начала новую успешную карьеру в качестве певицы и конферансье.

В 1956 году ее фильмография пополнилась еще двумя картинами - "Вокруг Света за 80 дней" и "История в Монте-Карло".

В 1957 году Марлен исполнила роль Кристины Хельм в фильме "Свидетель обвинения".

В начале 60-х годов Дитрих провела гастрольные туры по ФРГ и СССР.

В 1975 году в результате несчастного случая в Сиднее актриса получила перелом шейки бедра, из-за чего ей пришлось завершить свою карьеру.

В 1978 году Марлен исполнила свою последнюю роль на большом экране, она сыграла Баронессу в фильме «Прекрасный жиголо — бедный жиголо» с Дэвидом Боуи в главной роли.

Умерла актриса 6 мая 1992 года в своей квартире в Париже в результате нарушения функции сердца и почек. Умерла внезапно, сразу после ухода врача, подтвердившего, что она здорова.

Похоронили Марлен в Берлине на кладбище Штадттишер Фридхоф III рядом с могилой матери.