Née sur l’île de Java en Indonésie; on l'envoie à l'âge de 10 ans faire ses études à Baden-Baden, puis à Weimar. C'est à l'occasion de son court mariage avec Fritz Dagover (1872-1936) qu'elle découvre le cinéma par le metteur en scène Robert Wiene.
Lil Dagover a traversé soixante ans de cinéma allemand, depuis les films de Robert Wiene (Le Cabinet du docteur Caligari), Fritz Lang (Les Trois Lumières) et Friedrich Wilhelm Murnau (Tartuffe), jusqu'à ceux de Maximilian Schell (Le Piéton) et Hans-Jürgen Syberberg (Karl May, à la recherche du paradis perdu), en passant par ceux de Wolfgang Liebeneiner (Bismarck).
Quelques semaines avant sa mort elle incarne le premier rôle dans Légendes de la forêt viennoise (Geschichten aus dem Wienerwald) de Maximilian Schell.
