Dietrich folgte ihrem Regisseur nach Amerika und unterschrieb bei Paramount Pictures. Für ihre Rolle im Film Marokko wurde sie für den Oscar als beste Hauptdarstellerin des Jahres 1930 nominiert. Es blieb ihre einzige Oscar- Nominierung. Im Laufe der nächsten Jahre entstanden fünf weitere von insgesamt sieben Filmen, unter der Regie von Sternbergs. Shanghai Express, 1932 gedreht, war der kommerziell erfolgreichste Sternberg/Dietrich-Film. 1935 wurde von Dietrich die Zusammenarbeit mit von Sternberg beendet. 1936 lehnte sie ein Angebot Goebbels' ab, der ihr hohe Gagen und freie Wahl bei Drehbuch und Mitarbeitern für in Deutschland gedrehte Filme zusicherte. Dietrich drehte weiterhin in den USA, unter anderem unter Hitchcock, Lubitsch, Welles und Wilder. 1939 nahm sie auch die US-amerikanische Staatsbürgerschaft an.
Mitte der 1930er Jahre wurde sie neben Greta Garbo oder Katharine Hepburn von der Filmpresse zum „Kassengift“ erklärt. Ihre Filme erfüllten nicht die Erwartungen bei den Einspielergebnissen. Aus der Sackgasse verhalf ihr ein Imagewandel, den sie im Film „Der große Bluff“ vollzog. Von der unnahbaren Göttin wurde sie zur sich prügelnden Barfrau, die schlüpfrige Lieder mit rauchiger Stimme zum Besten gibt. Steigende Bekanntheit errang sie in den folgenden Jahren durch ihre Lieder, die sie meist „sprechend“ sang. Dazu gehören unter anderem das Lied „Lili Marleen“
Wegen ihrer bedingungslosen Solidarität für die kämpfenden „boys“ wurde sie eine der beliebtesten und begehrtesten Akteurinnen der amerikanischen Truppenbetreuung in Afrika und Europa. Später resümierte sie, nie wieder solch einen intensiven Kontakt zu ihrem Publikum gehabt zu haben.In Stolberg bei Aachen wurde sie von einer Deutschen erkannt und zu ihrer großen Überraschung mit Freude begrüßt. Diese unerwartete Reaktion sollte kein Einzelfall bleiben, andere Frauen des Ortes sammelten Zutaten für einen Willkommenskuchen, der nach ihren Angaben die köstlichste Speise ihres Lebens war. Auch mit der Suche nach ihren Verwandten hatte sie Erfolg, sie konnte per Militärfunk kurz mit ihrer Mutter sprechen und einige Wochen später auch in Berlin wiedersehen. Ihre Mutter, die sich eschworen hatte, Adolf Hitler zu überleben, starb im November 1945.
Ihr politisches und soziales Engagement gegen das NS-Regime fand international deutlich früher eine Würdigung als in ihrem Heimatland Deutschland, wo ihr Handeln bei vielen auf Unverständnis stieß. Durch ihr Handeln sei sie nicht gegen Hitler getreten, sondern gegen viele Millionen einfacher deutscher Soldaten. Der Begriff der „Verräterin“ wurde vielfach publiziert und diskutiert. Schon 1947 erhielt Marlene Dietrich die Medal of Freedom, den höchsten Orden der USA für Zivilisten. 1950 folgte die Verleihung des Titels »Chevalier de la Legion d'Honneur« (Ritter der Ehrenlegion) durch die französische Regierung. Die französischen Präsidenten Pompidou und Mitterrand beförderten sie für ihre Verdienste später zum „Officier“ und schließlich zum „Commandeur“ der Ehrenlegion. Mit dem Beginn des Kalten Krieges wurde ihr Engagement zunehmend pazifistisch.
Am deutlichsten machte sie dies mit dem Lied „Sag mir, wo die Blumen sind“ von Pete Seeger. Ab 1953 stand sie fast ausschließlich als Sängerin auf der Bühne und feierte weltweite Erfolge. Von 1953 bis 1954 gab sie Bühnenshows in Las Vegas im Sahara Hotel und in London im Café de Paris. Ihr musikalischer Begleiter wurde ab 1955 für ca. zehn Jahre Burt Bacharach, der ihr half, ihr Image von der Nachtclub-Sängerin in das einer ausdrucksstarken Künstlerin zu wandeln; sie trat nun nicht mehr in Clubs sondern nur noch in Theatern auf. Sie entwickelte in den ersten zehn Jahren ihrer Auftritte ihre berühmte „One-Woman-show“. Bis zu ihrem 75. Lebensjahr tourte sie durch die ganze Welt. Sie war die erste deutsche Künstlerin, die nach dem Zweiten Weltkrieg in Russland auftrat.
Für großes Aufsehen haben ihre Bühnenkleider gesorgt, nach einem Kritiker (Wer?) „die höchste Errungenschaft der Theaterwelt seit der Erfindung der Falltür“. Mit dem begabten und von ihr geschätzten Kostümdesigner der Columbia, Jean Louis, kreierte sie beeindruckende Kostüme für ihre Shows. Aus einem eigens für sie angefertigten Gewebe namens „Souffle“, das in ihrem Hautton eingefärbt wurde, wurde in gleichem Schnitt wie ihr geheimes Mieder ein enges, bodenlanges Kleid genäht. In diesem Kleid stand sie dann stundenlang vor einem Spiegel und ließ sich Pailletten, Perlen, Tasseln oder Kristallsteine auf das Kleid applizieren, die oft über fünfzig mal versetzt wurden, bis „die Dietrich“ mit der optischen Wirkung zufrieden war. Mit winzigen roten Fädchen wurden die Steine, Tasseln und Perlen auf dem Kleid markiert und eine Stickerin oder mehrere stickten dann monatelang zehn bis elf Pfund der Elemente auf. In diesen Kleidern, von denen die Dietrich mehrere Dutzend hat anfertigen lassen, war sie angezogen, aber wirkte doch nackt und wie mit „Sternen übersät“.
Ein anderes Prinzip wandte sie bei ihrem „Windkleid“ an, bei dem der Souffle an ihr Mieder, auch aus Souffle, drapiert und vernäht wurde und in langen Schleiern durch eine Windmaschine gegen und von ihrem Körper weggeweht wurde. Ebenso kunstvoll war die Fertigung ihres Bühnenmantels, ein Mantel mit einer drei Meter langen Schleppe, aus Brustdaunen von Schwänen, die in konzentrischen, engen Kreisen aufgebracht wurden und so wie kostbarer weißer Pelz wirkte. Manche Zeitungen verstiegen sich in die Annahme, er würde aus außerirdischem Material bestehen. Sie reiste immer mit zwei solcher Mänteln, diese mussten vor dem Auftritt fünf Minuten lang aufgeschüttelt werden, um ihr volles Volumen zu entwickeln. Es sollen 3000 Schwäne für diese Mäntel ihr Leben gelassen haben.
Nicht vor den Deutschen, nur um meinen Schwanenmantel, aus dem ich Eier oder Tomatenflecken kaum herausbekommen würde, um den mache ich mir Sorgen." Ihre Verletzung ob dieser Anfeindungen verbarg sie sorgfältig, war danach allerdings nichtmehr zu einer Reise nach Deutschland, geschweige denn zu Auftritten zu bewegen. 1961 drehte sie ihren letzten großen Film, „Das Urteil von Nürnberg“, in dem es um die Nürnberger Prozesse und eine der Kernfragen der Nachkriegszeit geht: Was habt ihr gewusst? Dabei spricht sie als Schauspielerin Texte, von deren Wahrheit sie nicht überzeugt war.In ihren letzten Rollen widerlegte die Dietrich die Meinung, dass sie als Schauspielerin nur mäßig begabt war, keine Gefühlsausbrüche spielen konnte und erntete großen Beifall für ihre Darstellung, der ihr beinahe den Oscar für ihre Rolle in „Zeugin der Anklage“ einbrachte, in dem sie eine Doppelrolle spielte. 1962 trat Marlene Dietrich in Düsseldorf bei der UNICEF-Gala auf. 1963 folgte in Baden-Baden ein Auftritt beim Deutschen Schlager-Festival.
In einem Film über das Berlin der unmittelbaren Nachkriegszeit geißelte sie u.a. mit dem Lied "Black Market" das damalige Schwarzmarktwesen. Bei Konzerten in Polen, in Russland und in Israel wurde sie begeistert empfangen. In Israel verbat ihr Manager ausdrücklich, Lieder mit deutschen Texten vorzutragen. Gleichwohl widersetzte sie sich spontan seiner Anordnung: „Ich singe nicht ein Lied auf Deutsch – sondern neun!“. Zunächst war das Publikum schockiert, doch dann brach das Eis und man applaudierte ihr bewegt, beeindruckt von ihrem Mut und ihrer Ehrlichkeit. Damit war sie auch die erste Sängerin, die in Israel deutsche Texte auf der Bühne singen durfte.
Mit Hildegard Knef verband sie über Jahrzehnte eine fast mütterliche Freundschaft. Marlene Dietrich bekam zunehmend Alkoholprobleme und beendete ihre Bühnenkarriere nach einem Oberschenkelhalsbruch bei einem Auftritt in Australien im Jahr 1975. Drei Jahre später trat sie letztmals für den Film Schöner Gigolo, armer Gigolo (1979) – u. a. neben David Bowie – vor die Kamera. Nach den Dreharbeiten zog sie sich vollständig aus der Öffentlichkeit zurück und lebte abgeschieden in ihrem Pariser Appartement in der Avenue Montaigne 12, dessen Bett sie in den letzten elf Jahren bis zu ihrem Tod nicht mehr verließ. Ihre Tochter Maria kümmerte sich hier um ihre mittlerweile tablettensüchtige und alkoholkranke Mutter, welche sich mittels eines speziell angefertigten Greifarmes alle Dinge zu sich holte, die sie um ihr Bett aufgestellt hatte. Sie beschäftigte eine Sekretärin und eine Hausangestellte und ließ sich häufig für sie gekochte Speisen von einem deutschen Spezialitäten-Restaurant liefern. Bis auf die Angestellten und ihre enge Familie durfte niemand ihre Wohnung betreten. Sie hielt mit den „Großen der Welt“ telefonisch Kontakt sowie mit Freunden und ihrer Familie, die sie bis zu dreißig mal am Tag anrief, speziell ihre Tochter. Das Telefon war die einzige Verbindung der Dietrich zur Außenwelt, die über dieses Medium aber immer noch großen Einfluss auf ihre Umwelt nahm.
Auf einer Europatournee kehrte sie 1960 nach Deutschland und Berlin zurück. Wie sie selbst betonte, war ihr Publikum in Deutschland begeistert von ihrer Show. Allerdings traf sie in Deutschland nicht nur auf ein freundliches Publikum, sondern sah sich als angebliche „Vaterlandsverräterin“ auch Anfeindungen von Teilen der Bevölkerung und der Presse ausgesetzt. In Düsseldorf wurde sie von einem jungen Mädchen angespuckt und auf einer Bühne warf jemand mit einem Ei und traf sie am Kopf. Sie weigerte sich allerdings energisch, „sich von einem blonden Nazi von der Bühne vertreiben zu lassen“, der „Werfer“ wurde vom Theater-Publikum fast gelyncht und musste unter Schutz aus dem Theater gebracht werden. Bei einem Interview nach diesem Vorfall antwortete sie auf die Frage, ob sie Angst vor einem Anschlag hätte, lakonisch: "Angst? Nein, ich habe keine Angst.
Jahre später willigte sie ein, an einem Dokumentarfilm über sich mitzuwirken. Der Regisseur Maximilian Schell erhielt die Zustimmung Marlene Dietrichs, sie zu filmen. Kurz vor Beginn der Dreharbeiten zog sie diese Einwilligung jedoch zurück und gestattete lediglich Tonbandaufnahmen. Schell, mit dem Scheitern seiner Vorstellung des Projektes konfrontiert, entschloss sich, den Film als Collage zu gestalten und unterlegte die Tonbandaufnahmen mit Fotos und Ausschnitten aus Dietrichs Filmen. Der Film endet mit der Rezitation des Gedichts „Der Liebe Dauer“ von Ferdinand Freiligrath, die die Dietrich zu Tränen rührte. Der Film Marlene (1984) wurde als bester Dokumentarfilm für einen Oscar nominiert und hat mehrere europäische Preise gewonnen. Nachde 1963 ihr erstes Buch mit dem Titel ABC meines Lebens erschien, wurde 1979 ihre Autobiografie veröffentlicht: Nehmt nur mein Leben. 1987 erschien eine etwas abgewandelte Version dieser Autobiografie mit dem Titel Ich bin, Gott sei Dank, Berlinerin. Die Dietrich bat ihre Tochter Maria Riva: „Schreib ein Buch über mich. Nur Du kannst es. Die ganze Wahrheit. Aber erst nach meinem Tod.“
1992 starb Marlene Dietrich in Paris - offiziell - an Herz- und Nierenversagen. Marlene Dietrichs Sekretärin und Freundin Norma Bosquet, die sie in den letzten Wochen ihres Lebens fast täglich in ihrer Pariser Wohnung besuchte, erklärte, dass sich die Schauspielerin wahrscheinlich mit einer Überdosis Schlaftabletten das Leben genommen habe, nachdem sie zwei Tage zuvor einen zweiten Schlaganfall erlitten hatte. Marlene Dietrich wurde nach einer großen Trauerfeier in Paris in Berlin mit hoher Anteilnahme der Bevölkerung auf dem III. Städtischen Friedhof Stubenrauchstraße, in einem schlichten Grab nahe der Grabstätte ihrer Mutter beigesetzt. In den Tagen nach ihrem Tod war sie nur noch bei wenigen als „Vaterlandsverräterin“ umstritten. Leserbriefschreiber und die Schauspielerin Evelyn Künneke kritisieren sie, eine geplante Gedenkveranstaltung wird – offiziell aus organisatorischen Gründen – abgesagt. Noch 1996 gab es in Berlin Kontroversen um die Benennung einer Straße nach ihr.
Der Berliner Bezirk Tiergarten gab 1997 dem zentralen Platz zwischen den neu erbauten Potsdamer-Platz- Arkaden, Hotel Grand Hyatt und Musicaltheater/Casino den Namen Marlene-Dietrich-Platz. Die Widmung lautet: „Berliner Weltstar des Films und des Chansons. Einsatz für Freiheit und Demokratie, für Berlin und Deutschland“. Zu ihrem 100. Geburtstag im Jahr 2001 entschuldigte sich das Land Berlin offiziell für die Anfeindungen. Postum erhielt sie am 16. Mai 2002 die Ehrenbürgerschaft Berlins. Dietrich hatte eine androgyne Ausstrahlung, von der sich Frauen und Männer gleichermaßen angezogen fühlten. Sie trat oft in Herrenkleidung auf, was für die damalige Zeit revolutionär war. Im Paris der 30er Jahre sollte ihr das Betreten der Innenstadt in Männerkleidung verwehrt werden, was natürlich nicht durchgehalten werden konnte. So wurde sie auch zu einem Idol der Frauenbewegung zwischen den beiden Weltkriegen und zu einer Schwulenikone. Kenneth Tynan, einer ihrer Freunde, schrieb über sie: „Sie hatte Sex, aber kein Geschlecht.“