Lillie Marie Peiser przyszła na świat w Poznaniu, który znajdował się wtedy pod zaborem pruskim. Była córką niemieckiego chirurga i austriackiej aktorki. Wkrótce wyemigrowała do Berlina, gdzie uczyła się aktorstwa. W 1933 roku wyjechała do Paryża, na krótko przed objęciem władzy przez nazistów. We Francji wypatrzył ją łowca talentów. Lilli zagrała w wielu brytyjskich produkcjach, a po jakimś czasie wyruszyła do Hollywood, gdzie podpisała kontrakt z Warner Bros. Za rolę w "
But Not for Me" otrzymała nominację do Złotego Globu. Kolejną dostała za odegranie Natalyi w mini-serialu telewizyjnym "
Piotr Wielki", gdzie pojawiła się obok takich sław jak
Omar Sharif,
Laurence Olivier czy
Vanessa Redgrave. Nagrodzono ją Pucharem Volpi za rolę w "
The Four Poster" na Międzynarodowym Festiwalu Filmowym w Wenecji. W "
Operacja Kusza" zagrała Friedę u boku
Sophii Loren i
Georga Pepparda. Inne produkcje z jej udziałem to "
Miłosne przygody Moll Flanders" czy "
Dziewczęta w mundurkach" (obok
Romy Schneider). Lilli jest znana z burzliwego małżeństwa z
Rexem Harrisonem. Związek zakończył się rozwodem, gdyż
aktor chciał się zaopiekować umierającą
Kay Kendall. Wkrótce Palmer wyszła za mąż za
Carlosa Thompsona - argentyńskiego aktora, z którym była aż do końca swojego życia. Lilli Palmer zmarła na raka w wieku 71 lat.