Лилли Мари Пайзер родилась 24 мая 1914 года в прусском городе Познань в семье доктора Альфреда Пайзера и Роуз Лиссман, австрийской театральной актрисы. Когда Лилли было четыре года, её семья переехала в Берлин, где обосновалась в районе Шарлоттенбург. Там же Лилли увлеклась театром и стала изучать драму, а в 1933 году, с приходом к власти нацистов, её семья бежала в Париж.
Карьера Лилли началась в кабаре, где её заметил один из британских агентов и предложил контракт на студии «Gaumont-British». Её кинодебют состоялся в 1935 году и последующем десятилетии она активно продолжала сниматься в британских фильмах.
В 1943 году Лилли вышла замуж за актёра Рекса Харрисона и в 1945 году вместе с ниим переехала в Голливуд. Там она подписала контракт с Warner Brothers и вскоре появилась в нескольких их фильмах, включая «Плащ и кинжал» (1946) и «Тело и душа» (1947). Она также периодически появлялась на театральной сцене, а в 1951 году была ведущей собственного телевизионного шоу. В начале 1950-х годов Палмер и Харрисон появились вместе в бродвейской пьесе «Звонок, книга и свеча», а позже вместе исполнили главные роли в фильме «Кровать» (1952). Рекс неоднократно изменял Лилли и в итоге в 1956 году они развелись. От этого брака у Лилли остался сын Рекс Кэри Альфред Харрисон, родившийся в 1944 году.
В 1954 году Палмер вернулась в Германию, где она стала сниматься в кино и на телевидении. Но она по прежнему продолжала свою карьеру и в США. В последующие годы она появилась в таких американских фильмах как «В его приятной компании» (1961) и «Чудесное спасение белых скакунов» (1963). В 1986 году Лилли была номинирована на премию «Золотой глобус» за роль в сериале «Пётр Великий», которая стала последней в её карьере.
В 1958 году Лилли вышла замуж за аргентинского актёра Карлоса Томпсона, с которым оставалась вместе до своей смерти. Лилли Палмер не стало 27 января 1986 года — она скончалась от рака в возрасте 71 года в Лос-Анджелесе. За свой вклад в киноиндустрию она удостоена звезды на Голливудской аллее славы на Голливудском бульваре 7013.