Orpheline, elle tente sa chance dans les radio-crochets tout en travaillant dans une pharmacie. Jacques Canetti, le grand découvreur de talents, l'encourage.
Elle rencontre alors le trompettiste Aimé Barelli, qui l'initie au jazz, devient son accompagnateur, son compositeur et son mari. Ils chantent parfois ensemble des morceaux comme « Tant que nous nous aimerons », « Ça alors » ou « Ça marche ». Dès 1939, « Sur les quais du vieux Paris », de Poterat et Erwin, et « la Prière à Zumbia » la mettent en vedette. Le voile nostalgique de sa voix est accordé aux années de l'Occupation. « Mon amant de la Saint-Jean », une chanson du milieu marseillais, est un des plus grands succès de cette époque. Elle reprend des chansons réalistes du répertoire de Piaf (« Elle fréquentait la rue Pigalle »), « Nuages » du grand guitariste gitan Django Reinhardt, et chante du musette, en suivant sa cadence.
Sa carrière s'accélère après la guerre. Elle coupe et teint en blond ses longs cheveux, se fait remodeler le nez. Ses chansons sont plus joyeuses et elle collectionne les succès : « les Amants du dimanche » (signée Henri Contet et Marguerite Monnot), « Boléro ». Elle met à son répertoire les premières compositions d'Aznavour (« C'est un gars », « Mon amour, protège-moi ») et passe à l'Olympia en 1953. En 1956, elle obtient le grand prix du disque avec Java (d'Émile Stern et Jacques Marnay). Cousine de Lucienne Boyer par le timbre, Lucienne Delyle est la chanteuse populaire par excellence, de celles qui chantent avec leur cœur. Emportée prématurément par la leucémie, elle laisse une fille, Minouche Barelli, qui se lancera elle aussi dans la chanson.