Людмила Марковна Гурченко родилась 12 ноября 1935 года в городе Харькове в семье Марка Гавриловича Гурченко (1898—1973) и Елены Александровны Симоновой-Гурченко (1917—1999).

В 1953 году, после окончания десятилетки, она поехала в Москву и поступила во ВГИК, в мастерскую Сергея Герасимова и Тамары Макаровой. ВГИК она окончила в 1958 году.

В кино Людмила Гурченко дебютировала в фильме Яна Фрида «Дорога правды» (1956). В том же году на экраны страны вышла новогодняя комедия молодого режиссёра Эльдара Рязанова «Карнавальная ночь», в которой главные роли, по настоянию Ивана Пырьева, сыграли известный Игорь Ильинский и студентка Людмила Гурченко. Фильм имел огромный успех и на многие годы полюбился зрителям, и благодаря роли Леночки Крыловой Гурченко стала всесоюзной любимицей. В следующем году актриса снялась в комедии «Девушка с гитарой». Однако вскоре Гурченко проявила также и талант драматической актрисы, свидетельством чему её главная роль Марии в фильме «Рабочий посёлок» (1966). Переломным для неё стал фильм Виктора Трегубовича «Старые стены» (1973 г., премьера — 1974 г.), где она исполнила роль Анны Георгиевны. Гурченко блестяще сыграла (и спела) в музыкальной ленте «Соломенная шляпка» (1974 г., премьера — 1975 г.), поставленной Леонидом Квинихидзе.

Среди лучших работ Людмилы Гурченко можно назвать такие фильмы, как «Двадцать дней без войны» Алексея Германа, «Сибириада» Андрея Михалкова-Кончаловского, «Пять вечеров» Никиты Михалкова, «Вокзал для двоих» Эльдара Рязанова, «Любимая женщина механика Гаврилова» Петра Тодоровского, «Полёты во сне и наяву» Романа Балаяна.

В 1982 году из печати вышла книга Людмилы Гурченко «Моё взрослое детство». Позже актриса опубликовала книги «Аплодисменты» и «Люся, стоп!» (2003). Кроме того, вышли несколько пластинок с песнями в ее исполнении.