Ihre Eltern zogen 1917 nach Berlin, wo der Vater Chefarzt im Jüdischen Krankenhaus in Berlin-Charlottenburg war. Der Wunsch des Vaters war, dass Lilli Medizin studieren sollte. Doch schon als Schülerin wollte sie, wie ihre Mutter, Schauspielerin werden und nahm Schauspielunterricht.
Mit achtzehn Jahren erhielt sie ihre erste Rolle und erhielt im selben Jahr ein Engagement am Hessischen Landestheater in Darmstadt. Doch ein Jahr später schon musste Lilli, da sie aus einer jüdischen Familie stammte, Deutschland verlassen. Am 31. März 1933 wurde sie mit Schreiben der Theaterdirektion beurlaubt, jedoch "da man sie für Aufführungen brauchte, nicht zum 3. Juni, sondern erst zum Ende der Spielzeit gekündigt". Sie ging nach Paris, später nach London und 1945 mit dem britischen Schauspieler Rex Harrison, den sie 1943 geheiratet hatte, in die Vereinigten Staaten von Amerika.
Palmer betrieb neben schriftstellerischen Aktivitäten vor allem ihr Engagement als Schauspielerin intensiv weiter. Sie wirkte in über achtzig Filmen mit. Sie hatte in dem Film der in Darmstadt geborenen Christa Winsloe "Mädchen in Uniform" von 1958 die Rolle einer Lehrerin, der von einer Internatsschülerin, gespielt von Romy Schneider, starke Gefühle entgegen gebracht werden.
1960 kehrte sie nach Europa zurück und lebte in der Schweiz.
In der Hölderlinstraße 11 in Berlin erinnert eine Tafel, dass Lilli Palmer von 1917 bis 1932 hier wohnte. 1997 wurde in Berlin-Haselhorst die "Lilli-Palmer-Promenade" am Krienicke-Park benannt. Im Jahr 2000 gab die Deutsche Post eine Lilli-Palmer-Briefmarke heraus.
Am 3. Juni 2011 wurde im Eingangsbereich des Staatstheaters Darmstadt eine Gedenktafel mit den durch Heers [4] [5] Forschungen namentlich bekannten jüdischen und politisch verfolgten Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter im Rahmen einer öffentlichen Gedenkveranstaltung enthüllt.
In Darmstadt sorgten Anja Göbel und 2009 der Historiker Hannes Heer mit seinen Forschungen "Verstummte Stimmen - Die Vertreibung der 'Juden' und 'politisch Untragbaren' aus den hessischen Theatern 1933 bis 1945" dafür, dass Lilli Palmer und andere Verfolgte der Vergessenheit entrissen wurden.