Во время войны Дитрих выступала перед американскими военнослужащими, считая, что это ее лучший вклад в борьбу с Гитлером. Она пользовалась любовью у американских солдат, но большинство официальных лиц США - особенно Эдгар Гувер, в то время занимавший пост директора ФБР, ей не доверяли.
В течение ряда лет по приказу Гувера агенты ФБР контролировали каждый шаг Дитрих и просматривали всю ее почту, стремясь подтвердить свои подозрения о том, что певица - нацистский шпион, занимающийся "антиамериканской деятельностью".
Согласно недавно опубликованному досье Дитрих, которое было составлено ФБР, официальное расследование ее возможной причастности к шпионажу велось с 1942 по 1944 год. Никаких доказательств шпионской деятельности Дитрих агентам ФБР получить не удалось, однако они узнали много нового о ее любовных похождениях.
Сотрудники ФБР, следившие за немецкой звездой, обнаружили, что, несмотря на брак с Рудольфом Зибером, Дитрих была неразборчива в связях.
Ее отношения никогда не затягивались надолго, в лучшем случае они продолжались шесть месяцев, а зачастую были мимолетными.
Особый интерес у сотрудников ФБР вызвали ее отношения с пользующимися дурной славой лесбиянками, в частности с актрисой Кей Фрэнсис, которой, как отмечается в досье, Дитрих подарила кольцо с сапфиром в одном из ночных клубов.
Дитрих отчасти удалось снять с себя подозрения в шпионаже, когда в феврале 1944 года она решила доказать свою лояльность США, став американской разведчицей.
Ее роль заключалась в сборе информации о подрывной деятельности нацистов в Европе во время поездок на фронт, где она выступала перед американскими войсками. Какую именно информацию предоставила Дитрих ФБР, неизвестно - в 1980 году часть ее досье была уничтожена.