Geboren wurde Lilli Palmer als Lilli Marie Peiser in Posen. Ihr Vater war Chirurg Medizinalrat ihre Mutter Theaterschauspielerin. Schauspielunterricht hatte sie Ilka Grüning und Lucie Höflich in Berlin; 1932 debütierte sie am Hessischen Landestheater in Darmstadt . 1934 emigrierte sie nach Paris 1934 ging sie nach London wo sie ihre erste Minirolle in Film ( Der Geheimagent von Alfred Hitchcock 1936 ) spielte. 1943 heiratete sie den Theaterschauspieler Rex Harrison emigrierte in die USA und spielte dort auch am Broadway . 1954 kehrte sie nach Deutschland zurück und zum Star des Nachkriegskinos. Sie spielte an Seite großer Stars wie Curd Jürgens . Aufgrung mäßiger Nachfrage spielte sie später in den USA ihre Filmpartner waren Clark Gable James Mason Jean Gabin und Charles Boyer.
In Deutschland wirkte sie auch in mit.
1974 erschienen ihre Memoiren Dicke Lilli - gutes Kind zu ihren Auszeichnungen gehört das Filmband Gold.
Ihr zweiter Ehemann der Argentinier Carlos beging Selbstmord.