Hedwig Eva Maria Kiesler Bécsben jött a világra egy bankigazgató és egy magyarországi származású zongoraművész egyetlen gyermekeként. Kiskorától érdekelte a színjátszás, tizenkét évesen szépségversenyt nyert, de az apjával folytatott sétákon figyelmesen hallgatta a technikai újdonságok működéséről szóló magyarázatokat is.
Kamaszként színiiskolába járt, majd állást szerzett a legnagyobb osztrák filmgyárnál, a Sascha-Filmnél, ahol a Geld auf der Strasse (Pénz az utcán) című romantikus komédiában játszotta el első filmszerepét. Nem sokkal később felfigyelt rá Max Reinhardt producer, és magával vitte Berlinbe, de végül egyik produkciójában sem szerepeltette. A hírnevet Gustav Machaty cseh rendező Erotikon címmel 1929-ben forgatott némafilmjének 1933-as hangos változata, az Eksztázis hozta meg számára, amelyben egy idős férfi elhanyagolt fiatal feleségét alakította. Az alkotás híres-hírhedt jelenetében az arcát orgazmus közben közelképen mutatták, és rövid meztelen jeleneteket is felvettek, ezzel ő lett az első színésznő, aki meztelenül jelent meg a filmvásznon. A filmet Európa-szerte művészi alkotásként értékelték, díjat nyert a Velencei Filmfesztiválon, de Németországban és az Egyesült Államokban betiltották.
Lamarr színházi szerepeket is játszott, a Bécsben bemutatott Sissy címszereplőjeként óriási sikert aratott, rajongók sora ostromolta. Többségüket elküldte, de Friedrich Mandl dúsgazdag fegyverkereskedő kitartásának nem tudott ellenállni. Tizennyolc évesen feleségül ment a jóval idősebb férfihoz, zsidó származású szülei nem tudták lebeszélni a Mussolinivel és Hitlerrel is jó kapcsolatokat ápoló gyárossal való házasságról. Férje mellett fel kellett hagynia a színészettel, helyette üzleti találkozókon kellett reprezentálnia. Szépasszonyként kísérte férjét, de figyelmesen és értő füllel hallgatta a tudományos és technikai vívmányokról szóló hivatalos eszmecseréket.
A fojtogató házasságból 1937-ben Párizsba, majd Londonba menekült. Itt találkozott Louis B. Mayerrel, a Metro-Goldwyn-Mayer stúdió európai tehetségkutató úton levő vezetőjével, akivel New York felé hajózva szerződést kötött. A gyönyörű színésznő maga mögött hagyta a múltját, az Egyesült Államokban Hedy Lamarr művésznéven mutatkozott be (nevét Barbara La Marr színésznőtől „kölcsönözte”). Mayer titkon azt remélte, hogy egy új Greta Garbóhoz vagy Marlene Dietrichhez fogható tehetséget szerződtetett. Lamarr érzéki szépsége lenyűgözte Amerikát, utánozták a stílusát, divatba hozta a barna hajat és a középválasztékot is. Csaknem negyven filmben szerepelt. Az Algír (1938) című filmben Charles Boyer oldalán mutatkozott be, később is olyan hírességek voltak a partnerei, mint Spencer Tracy, Clark Gable, Judy Garland vagy Lana Turner. Leghíresebb filmje a White Cargo (1942) és a két Oscar-díjat nyert Sámson és Delilah (1949), az utolsó pedig a The Female Animal című thriller (1958) volt. Még leszerződtették az 1966-os Picture Mommy Dead című produkcióhoz is, de idegkimerülése miatt szerepét Gábor Zsazsa vette át.
1953-ban amerikai állampolgárságot kapott. Dívaként csodálták, de a vásznon kívül magányos volt, honvágy gyötörte, nem találta a helyét. A magánéletben sem tudott megállapodni, számos kalandja és kapcsolata mellett hatszor ment férjhez.
Kevesen gondolták róla, hogy szabadidejében találmányokon töri a fejét. Jó barátjával, George Antheil avantgárd zongorista-zeneszerzővel kezdtek dolgozni egyik ötletén, a rádióvezérelt torpedón, és egy 88 billentyűs zongora segítségével feltalálták a szórt spektrumú frekvenciaugrás elvét. (Szórt spektrumú átvitel esetén az adó frekvenciáról frekvenciára ugrál másodpercenként több százszor, a vevő pedig követi, így megnehezítve az adások felderítését és szinte lehetetlenné téve az adások zavarását.) Találmányukat 1942-ben titkos kommunikációs rendszer néven szabadalmaztatták (a színésznő Hedy Kiesler Markey néven szerepel az okiraton) és felajánlották az amerikai haditengerészetnek. A második világháború alatt még nem alkalmazták, de az 1962-es kubai rakétaválság idején sikerrel vetették be. Lamarr úttörő találmánya számos kommunikációs technológia fejlődéséhez hozzájárult, beleértve a faxokat, a szigorúan titkos katonai és diplomáciai kommunikációt, a GPS-t, az internetet, a wifit, a műholdas kommunikációs rendszereket és a vezeték nélküli kommunikációt, ami jelentős előrelépést jelent az egyre hangsúlyosabb szerepet játszó kiberbiztonság terén is.
1960-ban csillagot kapott a hollywoodi Hírességek sétányán, 1997-ben Antheillel közösen kitüntették az Electronic Frontier Foundation a technika úttörőjének járó elismerésével. Első női kitüntetettje volt a feltalálói Oscar-díjként emlegetett Bulbie Gnass Spirit of Achievement Bronze Awardnak is. 2014-ben felvették az amerikai feltalálók dicsőségcsarnokába, 2019 óta nevét viseli egy aszteroida. Születésnapján, november 9-én tartják a feltalálók napját. Emlékére Hedy Lamarr-díjat hoztak létre, amelyet a híradástechnika területén szerzett különleges teljesítményért adományoznak nőknek. 2017-ben Bombshell: The Hedy Lamarr Story címmel dokumentumfilmet forgattak róla, 2022-ben mutatták be Jeff Beck és Johnny Depp rá emlékező közös dalát.
Lamarr az 1970-es évektől egyre visszavonultabban élt, élete utolsó évtizedében szinte csak telefonon tartotta a kapcsolatot a külvilággal. 2000. január 19-én, 85 éves korában szívbetegségben hunyt el a floridai Casselberryben. 2014-ben a bécsi központi temetőben síremléket állítottak neki, végakarata szerint hamvai egy része is ott nyugszik.
