Lilli Palmer se narodila 24. května 1914 v Poznani, která byla v době jejího narození součástí Pruského království, tedy jedním z německých států. Tato elegantní a populární filmová hvězda se narodila jako Lillie Marie Periser. Její otec byl německo-židovský lékař Alfred a matka rakousko-židovská herečka Rose Lissmann. Lilli měla ještě dvě sestry, z nichž se ze starší Irene Prador, stala také herečka. Mladší se jmenovala Hilde.
Před kamerou stála Lilli poprvé roku 1933 v dramatu RIVAUX DE LA PISTE. Hitchcockův SECRET AGENT (TAJNÝ AGENT) v roce 1936, dal Lilli příležitost v roli Lilli a ta se začínala stávat slavnější a slavnější herečkou. Roku 1945 hrála ve filmu THE RAKE´S PROGRESS a to poprvé s Rexem Harrisonem. Rex byl manželem Lilli od 25. ledna 1943 a o rok později se jim narodil syn Carey Harrison, který se stal v dospělosti úspěšným spisovatelem a režisérem. Co se týká Rexe Harrisona (1908-1990), jistě se sluší připomenout, že kromě mnoha ocenění, získal v roce 1965 Oscara, za nejlepší herecký výkon v hlavní roli. Jednalo se o muzikál MY FAIR LADY (1964). Celá rodina se roku 1945 přestěhovala do Spojených států a zde pokračovala kariéra Lilli i Rexe. Stali se prominentní herecký pár a společně je na počátku padesátých let „přivítala“ také Broadway ve hře BELL, BOOK AND CANDLE.
Lilli během své kariéry ztvárnila více než sto rolí na filmových plátnech a televizní obrazovce. Kromě svých rolí, byla sama sebou Lilli k vidění ve více než dvaceti televizních pořadech, filmech a seriálech, buď jako herečka, ale také i jako zpěvačka. Lilli mimo rodného německého jazyka, také plynně ovládala francouzštinu a angličtinu. V roce 1946 hrála v úspěšném filmu CLOAK AND DAGGER (PLÁŠŤ a DÝKA). V poválečných letech, v období let 1948 až 1955 hrála zejména v množství televizních seriálů. V roce 1953 měla Lilli dokonce svůj televizní pořad THE LILLI PALMER SHOW.
Její manžel Rex Harrison prožil katastrofální románek s herečkou Carole Landis (1919-1948), který vedl k sebevraždě této herečky v roce 1948. V roce 1954 se sice vrátila Lilli s Rexem do Evropy, ale jejich vztah se rozpadl. Časem se Lilli seznámila s pohledným Carlosem Thompsonem (1923-1990). Argentinec se stal osudovým mužem v životě Lilli a 21. září 1957 se vzali. Do manželství tak vstoupila několik měsíců po jejím rozvodu s Harrisonem (6. února 1957). Manželství Lilli a vlastním jménem Juana Carlosa Mundin-Schafftera, pak vydrželo až do úmrtí Lilli.