Lilli Palmer est née à Posen (alors rattachée à la Prusse-Méridionale) en 1914[1],[2]. Son père, Alfred Peiser, est médecin-chef et chirurgien à l'hôpital juif de Berlin et sa mère, Rose Lissmann, a été actrice de théâtre avant ses fiançailles[1]. Lilli a une sœur aînée, l'actrice et chanteuse Irene Prador, et une sœur cadette, Hilde. Quand Lilli Palmer a quatre ans, sa famille s'installe dans la Hölderlinstraße 11 à Berlin-Westend, où une plaque commémorative orne aujourd'hui leur maison. ils y restent jusqu'en 1932. Voulant devenir actrice, même si son père l'encourageait plutôt à mener des études de médecine[2], elle effectue des études d'art dramatique[1]. Elle quitte l'Allemagne en 1933, peu après l'arrivée au pouvoir des nazis[1]. Elle avait échappé de peu à une arrestation par les autorités nazies locales lors d'une représentation à Darmstadt. Après une première éprouvante, Palmer est épargnée à la dernière minute lorsque les nazis apprennent la médaille de la Croix de fer de la Première Guerre mondiale gagnée par son père[2].
Après une première année à Paris[2], elle arrive en Angleterre en 1934[1]. Elle obtient un premier contrat pour six films à la British Gaumont. En 1936, elle joua un rôle secondaire dans Quatre de l'espionnage d'Alfred Hitchcock[1]. Elle entame également une carrière théatrâle[1]. En 1943, elle épouse l'acteur de théâtre Rex Harrison, dont elle a un fils en 1944[2].
Ils émigrent aux États-Unis. Elle y joue entre autres aux côtés de Gary Cooper dans Cape et Poignard en 1946 et de John Garfield dans Sang et Or en 1947.
En Amérique, Rex Harrison a une liaison avec Carole Landis, qui se suicide en 1948[2]. Après ce suicide, le scandale qui s'ensuit interrompt provisoirement la carrière hollywoodienne de Lilli Palmer. Le couple Harrison s'installe à New York[2], où il connaît le succès à Broadway, entre autres en jouant dans Bell, Book and Candle (Adorable Voisine), ou encore César et Cléopâtrede George Bernard Shaw en 1949[2]. Ils se retrouvent ensuite à Hollywood pour le film The Four Poster sorti en 1952, qui vaut à Lilli Palmer la coupe Volpi de la meilleure actrice à Venise)[2], mais ils ne forment plus qu'un couple de façade.
En 1974, elle fait paraître ses mémoires, Dicke Lilli - gutes Kind (Un Bon petit soldat, Paris, 1979)[1],[3], un best-seller mondial. Elle publie 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, puis 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 paraitra après sa mort en 1988. Outre son activité d'écrivain, Lilli Palmer a été aussi une artiste-peintre lorsqu'elle s'est retirée en Suisse[1].
Elle succombe à un cancer en 1986, à l'âge de 71 ans, à Los Angeles[2],[4].