В 1929 году Джозеф фон Штернберг увидел её в ревю «Два галстука» и пригласил на роль Лолы-Лолы в фильме «Голубой ангел» по роману Генриха Манна «Учитель Гнус». Этот фильм, снимавшийся в двух вариантах — на немецком и на английском, должен был ознаменовать триумфальное возвращение Эмиля Яннингса в Германию. Однако Дитрих затмила его. Объясняя международный успех фильма, Зигфрид Кракауэр писал: «Её Лола-Лола выступила новым воплощением секса… О загадочности Лолы-Лолы твердил её низкий голос, и когда она пела о том, что ей интересно только заниматься любовью и больше ничем, этот голос пробуждал у слушателей ностальгические воспоминания и тлеющие надежды». После премьеры «Голубого ангела», состоявшейся 31 марта 1930 года, Марлен Дитрих «проснулась знаменитой».
Песни из этого фильма «Я лихая Лола», «Я с головы до пят сотворена для любви» и «Берегись блондинок» быстро стали шлягерами.
«Голубой ангел» послужил стартовой площадкой для Дитрих как мировой звезды и ознаменовал начало её плодотворного творческого союза со Штернбергом.
В феврале 1930 года Марлен Дитрих подписала контракт с голливудской компанией «Paramount Pictures», гарантировавший ей 1750 долларов в неделю, и 31 марта 1930 года сразу после премьеры «Голубого ангела» покинула Берлин.
Шесть фильмов, в которых она работала в Голливуде со Штернбергом, принесли ей всемирную известность.
В своём первом американском фильме «Марокко» (1930) Марлен Дитрих предстала на экране в образе певицы в мужском костюме, вызвав бурю негодования и в то же время революцию в женской моде — многие женщины последовали её примеру и стали носить брюки. За эту роль она получила свою первую и последнюю номинацию на «Оскар». В военной драме «Обесчещенная» (1931) Дитрих сыграла шпионку. Через год на экраны вышел самый успешный фильм тандема «Шанхайский экспресс». За ним последовали «Белокурая Венера» (1932) и историческая мелодрама «Распутная императрица» (1934). Фильм «Дьявол — это женщина» (1935) стал последней совместной работой Дитрих и фон Штернберга.