Son père, Alfred Peiser, était médecin-chef à l'hôpital juif de Berlin et sa mère, Rose Lissmann, avait été actrice de théâtre avant ses fiançailles. Lilli avait une soeur aînée, l'actrice et chanteuse Irene Prador, et une soeur cadette, Hilde. Quand Lilli Palmer eut quatre ans, sa famille s'installa à Berlin-Charlottenburg, où une plaque commémorative orne aujourd'hui leur maison.
Son père, qui voulait que Lilli devienne médecin, lui fit passer l'abitur à la Waldschule de Charlottenbourg, mais elle voulait à tout prix devenir actrice. Elle alla donc le matin au lycée et suivit l'après-midi des cours de théâtre auprès de Ilka Grüning et de Lucie Höflich. En 1932, elle débuta au Hessischer Landestheater de Darmstadt. En 1934, n'ayant plus le droit de travailler en Allemagne à cause de ses origines juives, elle se produisit avec sa soeur Irene sous le nom de « Soeurs Viennoises » dans diverses boîtes de nuit. Un peu plus tard, elles s'installèrent à Londres, où Lilli joua le rôle féminin principal dans Crime Unlimited et obtint ainsi son premier contrat avec une maison de production britannique. En 1936, elle joua un rôle secondaire dans Quatre de l'espionnage d'
Alfred Hitchcock.
En 1943, elle se maria avec l'acteur de théâtre
Rex Harrison, dont elle eut un fils en 1944, Rex Carey Alfred Harrison, qui enseigna plus tard à l'Université de Brooklyn. Ayant décroché un contrat pour Hollywood, elle émigra aux États-Unis et y joua entre autres aux côtés de
Gary Cooper dans Cloak and Dagger et de
John Garfield dans Body and Soul. La liaison de Rex Harrison avec Carole Landis, suivi du suicide du la jeune actrice, provoqua un scandale qui mit fin provisoirement à la carrière hollywoodienne de Lilli. Le couple Harrison s'installa à New York, où il connut le succès à Broadway, entre autres en jouant dans Bell, Book and Candle (Adorable Voisine). Ils se retrouvèrent ensuite à Hollywood pour le film The Four Posters, mais ils ne formaient plus qu'un couple de façade.
En 1954, Lilli Palmer revint en Allemagne, où elle devint une star du cinéma d'après-guerre. Elle joua entre autres aux côtés de
Curd Jürgens et de
Romy Schneider. Elle connut aussi le succès en France, en Grande-Bretagne et aux États-Unis, et tourna notamment avec
Clark Gable,
James Mason,
Jean Gabin et
Charles Boyer. Elle fut récompensée par de nombreux prix, notamment le Filmband in Gold.
En 1956, Lilli Palmer et Rex Harrison divorcèrent. Lilli se remaria le 21 septembre 1957 avec l'écrivain et acteur argentin Carlos Thompson.
En Allemagne, elle participa également à des téléfilms et des séries télévisées tels que Der Kommissar, Derrick et Eine Frau bleibt eine Frau, dont elle écrivit plusieurs scénarios sous le nom de son défunt grand-père.
À un âge avancé, Lilli Palmer était réputée être encore extraordinairement belle.
En 1974, elle fit paraître ses ses mémoires, Dicke Lilli - gutes Kind (Un Bon petit soldat, Paris, 1979), qui furent un best-seller mondial. Elle publia ensuite Der roter Rabe en 1979 (Le Corbeau rouge, Paris, 1980), où elle raconte la relation entre elle-même, son compagnon et sa meilleure amie, suivi de Umarmen hat seine Zeit en 1981 (Les Rivages insolites, Paris 1982), Nachtmusik en 1984, Um eine Nasenlänge en 1984 (Dans l'ombre du bonheur, Paris, 1985), Eine Frau bleibt eine Frau en 1985 et Wenn der Nachtvogel schreit, qui parut après sa mort en 1988. Outre son activité d'écrivain, Lilli Palmer était aussi une artiste-peintre.
Elle succomba à un cancer, à l'âge de 71 ans, à Los Angeles. Elle fut inhumée dans l'intimité. Son époux refusa d'accéder au désir de son fils et de ses belles-filles, qui souhaitaient la faire transférer en Suisse. On avait fait courir le bruit que Lilli Palmer s'était suicidée, et la presse à scandale se répandit en indiscrétions sur sa vie et sur celle du grand amour de sa vie, Carlos Thompson, qui se suicida quatre ans plus tard à Buenos Aires.