Марія Магдалена Дітріх народилася в Шенеберзі (з 1920 року — район Берліна), Німеччина, в родині Луї Еріха Отто Дітріха та Вільгельміни Елізабет Жозефіни Дітріх (до шлюбу Фельзинг), які побралися у грудні 1898 року. Мала старшу на рік сестру Елізабет. Батько був офіцером поліції, мати походила з заможної берлінської родини, що володіла фірмою з виробництва годинників. Батько помер в 1911 році. Друг батька Едуард фон Лош, перший лейтенант гренадерів, упадав біля матері Марії Магдалени та врешті одружився з нею 1916 року, але незабаром помер від травм у Першій світовій.
Фон Лош ніколи офіційно не удочеряв сестер Дітріх, тому фон Лош не було їхнім прізвищем, як це іноді стверджують. У родинному колі Марія Магдалена отримала прізвисько «Лейнех». Приблизно 11-річною вона скоротила два свої імені до «Марлен».
З 1907 по 1917 рік Дітріх відвідувала школу для дівчат Аугусти Вікторії. Підліткою цікавилася театром і поезією, вчилася грати на скрипці. Мрії стати скрипалькою перервала травма зап'ястка, однак в 1922 році вона таки влаштувалась на першу роботу скрипалькою у гурт акомпаніаторів німих фільмів у Берліні, звідки її звільнили через чотири тижні.
