Лиль Даговер родилась в семье чиновника лесного хозяйства голландской колониальной администрации в Ост-Индии. Родители по национальности были голландцы. Когда девочке было 10 лет, семья переехала в Европу, жила в Германии и в Швейцарии. Среднее образование получила в Тюбингене. В 1913 году она вышла замуж за актёра Фрица Дагофера, и из его фамилии создала свой артистический псевдоним. В 1914 году родилась дочь Ева.
Благодаря связям мужа Лиль попала в мир кино. Первую заметную роль она получила в 1916 году. В 1919 году актриса снялась в двух фильмах Фрица Ланга. Большую известность принесла ей главная женская роль в фильме Роберта Вине «Кабинет доктора Калигари». Позже Лили Даговер снялась в многочисленных немых фильмах 1920-х годов, поставленных режиссёрами Фрицем Лангом, Фридрихом Вильгельмом Мурнау и другими мастерами, в которых актриса исполняла амплуа «светской дамы».
В 1920 году Лиль Даговер разводится с Фрицем Дагофером. В 1926 она выходит вновь замуж, за кинопродюсера Георга Витта.
Параллельно со съёмками в кинематографе, актриса много работает также и в театре — например, у Макса Рейнхардта в берлинском Deutsches Theater, участвует в ежегодных Зальцбургских фестивалях.
Карьера Лиль Даговер была успешной и в гитлеровской Германии, и в послевоенное время. Большим успехом актрисы стала роль в поставленном в 1961 году по новелле Эдгара Уоллеса фильме «Странная графиня». Лиль Даговер снималась в кино вплоть до конца 70-х годов ХХ столетия.