Scolarisée dans les meilleures écoles de la capitale allemande, Lilli apprend l’anglais et le français qu’elle finit par parler couramment. Son père voulait qu’elle devienne médecin, mais son rêve était de devenir actrice. Elle alla donc le matin au lycée et l'après-midi elle suit des cours de théâtre et fait ses premières armes sur les planches du Hessischer Landestheater de Darmstadt en 1932 . En 1934, n'ayant plus le droit de travailler en Allemagne à cause de ses origines juives et menacée d’être arrêtée par les autorités nazies locales elle se voit dans l’obligation de quitter le pays et part s’installer à Paris avec sa sœur Irene . Tout deux se produisent sous le nom de « Sœurs Viennoises » dans diverses boîtes de nuit parisiennes notamment au Moulin Rouge.

Puis elle s’établit à Londres, où elle obtient le rôle de Natacha dans « Crime Unlimited » (1935) de Ralph Ince, elle joue une femme russe qui fait partie d'une bande de voleurs mais elle cherche à se libérer de la vie sordide qu'elle mène. Suivi de quelques rôles secondaires dont « Quatre de l'espionnage » (1936) d'Alfred Hitchcock. Puis un rôle remarquée, en 1939, tenant le rôle d'une Hongroise dans le film de Carol Reed « A girl must live ». En janvier 1943, elle épouse l’acteur britannique Rex Harrison qui lui donna un fils en 1944, Rex Carey Alfred Harrison. Ils partageront la vedette dans les théâtres de Londres jusqu’en 1945 date à laquelle le couple émigre aux Etats-Unis.

Elle gagne ses galons de vedette à ses cotés dans une comédie légère « Monsieur sans-gêne » (1945), Rex Harrison, un jeune Anglais aristocratique utilise son coté charmeur pour séduire les femmes notamment Lilli. En 1946 Maurice Elvey lui offre un rôle dramatique dans « Amour tragique » celui d’une jeune femme paraplégique suite à un accident d'équitation, désemparée par un amour impossible elle tente de se suicider. Puis aux côtés de Gary Cooper dans « Cape et Poignard » (1946) , l’acteur campe un espion américain avec la mission de s'emparer de la formule de la bombe atomique qui est aux mains des Allemands, il tombe sous le charme de Lilli une combattante de la résistance . Puis dans le drame sur la boxe « Sang et Or » (1947), de Robert Rossen de Fritz Lang, elle est l'épouse d'un boxeur (John Garfield ) qui pour réussir s'en remet à un organisateur peu scrupuleux.

La liaison de Rex Harrison avec Carole Landis, suivi du suicide de la jeune actrice, provoqua un scandale qui mit fin provisoirement à la carrière hollywoodienne de Lilli. Dès lors le couple Harrison s'installa à New York, où il connut le succès à Broadway, jouant entre autres dans « Adorable Voisine ». Ils se retrouvèrent ensuite à Hollywood pour la comédie « Le ciel de lit » de Irving Reis, mais ils ne formaient plus qu'un couple de façade, néanmoins Lilli remporte la Coupe Volpi au Festival de Venise l’année suivante.

En 1954 le couple se sépare, Rex Harisson reste aux Etats-Unis et Lilli Palmer retourne en Allemagne, où elle devient une star du cinéma d'après-guerre. Elle joue entre autres aux côtés de Curd Jürgens dans un mélodrame « Le diable en personne » (1955) de Rolf Hansen, devenue son épouse, elle est séduisante mais égocentrique et jalouse, ses accès de psychopathie augmentent jusqu'au jour et après avoir perdu son époux , elle se suicide, une lettre compromettante écrite par elle, accuse son mari de l'avoir assassinée. Pour sa prestation elle reçoit le Prix d’Or du cinéma germanique, et aussi la même récompense pour son personnage d'une inconnue qui prétend être Anastasia Nikolaïevna, fille de Nicolas II dans « Anastasia, la dernière fille du tzar » (1956) , une histoire inspirée de faits authentiques.

Elle gagne encore le Prix d’Or du cinéma germanique en 1964 pour « Opération Crossbow » elle est Frieda, le contact allemand qui va permettent aux agents alliés d'infiltrer le site de recherche sur les fusées des nazis. En 1967 dans « Les filles du code secret » elle est Elsa Shahn une juive travaillant aux décryptages de renseignements elle trahit la confiance de ses supérieurs en fournissant des informations à une organisation politique de gauche. Dans une tragédie athénienne elle est Jocaste dans « Le Roi Œdipe » (1967) de Phillip Saville , un noble grec (Christopher Plummer) roi de Thèbes épouse accidentellement sa propre mère Jocaste, tue son propre père et finit par payer un prix terrible pour avoir invoqué la colère des dieux. avec entre autres Orson Welles et Donald Sutherland.

Dans le film français « La peau de Torpédo » (1968) réalisé par Jean Delannoy, elle est Helen, la responsable d'un réseau d'espionnage étranger elle sera tué par les Services Spéciaux français. Elle termine sa carrière en 1984 avec « Le pacte Holcroft » de John Frankenheimer , elle est l'épouse de Michael Caine , le fils d'un général allemand nazi qui mène un mystérieux complot pour obtenir des fonds nazis cachés.

Après le divorce de Lilli Palmer et de Rex Harrison Lilli se remaria le 21 septembre 1957 avec l'écrivain et acteur argentin Carlos Thompson.

Elle succomba à un cancer, le 21 janvier 1986 à l'âge de 71 ans, à Los Angeles. Elle fut inhumée dans l'intimité. Son mari Carlos Thompson, se suicida quatre ans plus tard à Buenos Aires.

1978 - Prix d’honneur - Prix du cinéma Germanique, Allemagne.

1966 - Pour le film : OPÉRATION CROSSBOW - Prix de la meilleure actrice - Festival international du film de San Sebastian, Espagne.

1956 - Pour le film : LE DIABLE EN PERSONNE - Prix D'Or du cinéma germanique - Meilleure interprétation féminine - Allemagne.

1957 - Pour le film : ANASTASIA, LA DERNIÈRE FILLE DU TZAR - Prix D'Or du cinéma germanique - Meilleure interprétation féminine - Allemagne.

1953 - Pour le film : LE CIEL DE LIT - La Coupe Volpi - Meilleure actrice - Festival de Venise en Italie.