Dietmar Schönherr wurde am 17. Mai 1926 in Innsbruck geboren. Der Sohn des Offiziers und späteren Generals Otto Schönherr besuchte das Gymnasium in Innsbruck und Potsdam und hatte 1943 einen ersten Filmauftritt als Jugendlicher im propagandistischen NS-Film "Junge Adler".

In der Nachkriegszeit begann Schönherr zunächst ein Architekturstudium in Innsbruck. Nach seiner Mitwirkung in der Komödie "Wintermelodie" (1947) wurde er vom Sender Radio Tirol engagiert und arbeitete fortan als Autor, Regisseur und Sprecher für den Hörfunk. Parallel dazu setzte er seine Schauspielkarriere fort, die mit dem Film "Rosenmontag" signifikanten Auftrieb bekam. Es folgten Rollen in populären Produktionen wie der Musikkomödie "Bonjour Kathrin" (1956) und dem Sportabenteuer "Der schwarze Blitz" (1958).

Bevorzugt wurde Schönherr, der neben seinen vielfältigen Tätigkeiten auch als Synchronsprecher für internationale Stars wie James Dean arbeitete, als junger und adretter Mann mit besten Manieren besetzt. Dass er indes auch differenziertere Charaktere überzeugend verkörpern konnte, zeigte sich unter anderem in Gerd Oswalds Verfilmung von Stefan Zweigs "Schachnovelle" (1960), der internationalen Großproduktion "The Longest Day" (1962), welche die Landung der Alliierten in der Normandie im Juni 1944 dramatisch nachzeichnete, und der erfolgreichen Komödie "Kohlhiesels Töchter" (1962).

Der Agentenfilm "Das Rätsel der roten Quaste" (1963) und die Wintersportkomödie "Liebesspiel im Schnee" (1965) zeigten Schönherr jeweils an der Seite der dänischen Schauspielerin und Sängerin Vivi Bach, die er 1965 heiratete. Das Paar wurde schnell zu einem zeitgenössischen Popphänomen, moderierte Showsendungen, nahm gemeinsam Schallplatten auf und spielte zusammen in der Serie "Luftsprünge".

In dieser Zeit verlagerte sich Schönherrs Karriere vermehrt ins Fernsehen, wo er auch als Moderator für den Sender Freies Berlin tätig war. Zu dauerhafter Popularität und Kultstaus verhalf ihm die Rolle des Commanders Cliff Allister McLane in der Science-Fiction-Serie "Raumpatrouille – Die phantastischen Abenteuer des Raumschiffs Orion" (1966). Obschon damals von der Kritik eher belächelt, wurde die Serie zu einem immensen Publikumserfolg und gilt heute als eine der legendärsten deutschen TV-Produktionen, die sich unter Genre-Anhängern ungebrochener Beliebtheit erfreut.

Im TV moderierte Schönherr erst das ORF-Format "Apropos Film" und den bald wieder eingestellten "Night Club", bevor ihm mit der ZDF-Samstagabendshow "Wünsch Dir Was" ein epochemachender Erfolg gelang: Von 1969 bis 1972 führte Schönherr gemeinsam mit seiner Frau Vivi Bach durch die innovative Melange aus Spielshow und Talkrunde, die oftmals tagesaktuelle und gesellschaftskritische Themen aufgriff. Das immens erfolgreiche Programm sorgte stetig für Schlagzeilen und Kontroversen, und wurde mit seiner damals neuen Verbindung aus Unterhaltung und Diskussion zum Vorreiter für neue, mutige TV-Formate.

Mit der Talkshow "Je später der Abend" setzte Schönherr erneut Akzente, zumal er als Moderator nie vor persönlichen und deutlichen Stellungnahmen zu Politik und Weltgeschehen zurückschreckte. So führte auch einige Jahre später seine vor der Kamera geäußerte Kritik am damaligen US-Präsidenten Ronald Reagan zur Absetzung seiner schweizerischen TV-Show "Rendez-Vous" nach nur einer Sendung.

Auch außerhalb des Studios engagierte sich Dietmar Schönherr dauerhaft und mit großem Einsatz, so etwa im Rahmen der Friedensbewegung und – ab der 1980er Jahre – für die sandinistische Befreiungsbewegung in Nicaragua. Seit Ende der 1970er Jahre auch wieder vermehrt als Bühnenschauspieler (u.a. am Schauspielhaus Zürich und am Tiroler Landestheater) aktiv, reüssierte Schönherr zudem als Buchautor, so etwa mit dem autobiographisch gefärbten Roman "Sternloser Himmel". Auch im Fernsehen erfreute sich der markante Charakterdarsteller weiterhin großer Popularität, spielte Hauptrollen in abendfüllenden TV-Filmen und absolvierte zahlreiche Gastauftritte in TV-Serien. Gelegentlich trat er auch in Kinoproduktionen auf, so etwa in Doris Dörries "Bin ich schön?" (1998) und Joseph Vilsmaiers "Leo und Claire" (2001).

Positives Aufsehen erregte Schönherr 1999, als er sich bei der Verleihung der Goldenen Kamera für den "Kultstar des Jahrhunderts" an ihn gegen die höchst umstrittene Friedenspreisrede von Martin Walser verwahrte und an ermordete jüdische Künstler erinnerte. Die Jüdische Gemeinde Berlin zeichnete ihn im November 1999 mit dem Heinz-Galinski-Preis aus, und die Auszeichnung ist eine von vielen, die Schönherr im Laufe der Jahre für seine Arbeit und sein gesellschaftlich-politisches Engagement erhielt.

Dietmar Schönherr lebte mit seiner Frau Vivi Bach auf der Insel Ibiza. Dort verstarb er am 18. Juli 2014 im Alter von 88 Jahren.