Già regista e interprete di film tedeschi nel periodo espressionista, si trasferì in seguito in America nel 1930, ingaggiato dalla Warner Bros per seguire le versioni tedesche di alcuni film americani. A Hollywood realizzò con Max Reinhardt - già suo maestro di recitazione - una raffinatiossima versione de Sogno di una notte di mezza estate (1935), conquistando la notorietà grazie a una serie di biografie girate con Paul Muni tra il 1936 e il 1939 (Pasteur, Zola, Juárez). Pur lavorando successivamente per produzioni più commerciali - con qualche eccezione come Il ritratto di Jennie (1949) - Dieterle incontrò numerose difficoltà nella Hollywood maccartista degli anni '50 a causa delle sue sospette simpatie politiche per il comunismo. Dieterle, che lavorò anche in Italia realizzando nel 1950 Vulcano con Anna Magnani, è morto nel 1972 lontano da quella Hollywood in cui egli, prototipo dell'intellettuuale mitteleuropeo colto e raffinato, non si era mai ambientato completamente.