Her ayahnya adalah letnan polisi yang menanamkan sikap militer dalam dirinya. Marlene dikenal di sekolah karena matanya yang menawan dan mulai menjalin hubungan asmara saat masih muda, bahkan menyebabkan pemecatan salah satu profesor. Ia memasuki dunia kabaret di Jerman pada 1920-an sebagai penonton dan penyanyi.

Pada 1923, ia menikah dengan Rudolf Sieber, meskipun hanya tinggal bersama selama lima tahun, mereka tetap menikah hingga Rudolf meninggal. Marlene tampil dalam film bisu dengan peran yang semakin penting hingga akhirnya diundang ke Hollywood oleh Josef von Sternberg usai tampil di Berlin tahun 1929.

Peran utamanya dalam film Der blaue Engel (1930) melambungkan namanya dan memperkenalkannya ke dunia internasional. Von Sternberg membawa Marlene ke Hollywood, memproduseri seluruh filmnya, dan mengukuhkan posisinya sebagai aktris bayaran tertinggi saat itu. Namun, beberapa film berikutnya gagal secara kritis dan komersial.

Di akhir dekade, ia kembali ke Eropa dan menjalin berbagai hubungan asmara dengan bintang film dan tokoh seni terkenal. Pada 1939, ia menerima tawaran berperan bersama James Stewart dalam film western Destry Rides Again, yang menjadi salah satu comeback pentingnya. Ia juga aktif dalam kampanye Perang Dunia II untuk Sekutu, sekaligus menjadi warga negara Amerika.

Setelah perang, karier filmnya terbatas, dan ia beralih menjadi penyanyi dan performer di panggung. Ia tampil di Las Vegas, tur di dunia, dan Broadway, meraih kesuksesan baru. Kehidupannya dipengaruhi alkohol dan kecelakaan yang menyebabkan patah tulang kaki. Sejak 13 tahun terakhir hidupnya, ia tinggal di sepi di Paris dan berkomunikasi hanya melalui telepon dan surat-menyurat.