Любовь Орлова родилась 29 января (11 февраля) 1902 года в подмосковном Звенигороде (ныне Московская область) в дворянской семье. Её отец, Пётр Фёдорович Орлов, потомственный дворянин служил в военном ведомстве и имел высокие царские награды. Мать, Евгения Николаевна Сухотина, происходила из старинного дворянского рода. Дворянский род Сухотиных состоял в родстве с семейством графа Толстого. В доме Орловых хранилась книга «Кавказский пленник», подписанная лично писателем и подаренная маленькой Любови Орловой.

Родители хотели, чтобы дочь стала профессиональной пианисткой, и, когда ей исполнилось семь лет, отдали её в музыкальную школу. В 1919—1922 годах Любовь Орлова училась в Московской консерватории по классу рояля. Из-за трудного материального положения учёба в консерватории не была окончена.

В 1922—1925 годах — учёба на хореографическом отделении Московского театрального техникума.

1922—1925 гг. — уроки актёрского мастерства у педагога Е. С. Телешовой, режиссёра Художественного театра.

1920—1926 гг. — работа тапёром (музыкальное сопровождение немых кинофильмов) в кинотеатрах Москвы:

в кинотеатре «Унион» (позднее — кинотеатр повторного фильма)

в кинотеатре «Арс»

в кинотеатре «Великий Немой»

в кинотеатре «Орфеум»

концертные выступления перед киносеансами в кинотеатре «Арс».

1926—1933 гг. — хористка, затем актриса Музыкального театра (первоначально — Музыкальной студии при МХАТе) под руководством В. И. Немировича-Данченко.

После окончания Московского театрального техникума в 1926 году, она была принята хористкой в Музыкальную студию при МХАТе имени В. И. Немировича-Данченко.

Будучи артисткой хора и кордебалета, Орлова была занята в основном в эпизодических ролях. Однако даже в этих ролях музыкальный и драматический талант её многим бросался в глаза. В 1932 году роль Периколы в одноимённой оперетте Жака Оффенбаха вывела Орлову из состава хора и сделала солисткой.

1926—1930 годы — брак с Андреем Берзиным (1893—1947/8 гг.), заместителем Наркома земледелия. В 1930 году А. Г. Берзин арестован по делу Трудовой крестьянской партии. В 1938 году повторно арестован и заключён в ГУЛАГ.

1932—1933 годы — гражданский брак с Францем, австрийским предпринимателем, импресарио. Точных сведений о нём нет.

В 1933 году состоялась встреча с Григорием Васильевичем Александровым, которая сыграла решающую роль в её дальнейшей судьбе (была его женой, снималась в его фильмах).

В один из весенних дней 1933 года художник Пётр Вильямс посоветовал Александрову сходить в музыкальный театр при МХАТе, где в спектакле «Перикола» блистала 31-летняя Любовь Орлова. Режиссёр последовал этому совету, пришёл на спектакль и сразу же был пленён не только талантом актрисы, но и её внешностью. В тот же день они познакомились. Сомнений в том, кто будет играть роль Анюты в его новом фильме, у Александрова после этого не осталось.

Любовь Орлова провожает советских солдат на фронт 1 апреля 1943 года

Становление и стремительный подъём советского кинематографа в 1930-х годах немыслим без участия Л. П. Орловой. Во многом благодаря высокому артистическому мастерству, чрезвычайно выигрышной внешности Орловой, кинематограф стал популярнейшим видом искусства в СССР, уже в 1930-е годы серьёзно потеснившим театр по количеству зрителей и кассовым сборам. Типаж Орловой — человек нового времени, энергичный, оптимистический, обаятельный, весело и настойчиво шагающий в светлое настоящее и будущее.

Любовь Петровна жила в 1966—1975 в Москве на улице Большая Бронная дом 29.

Актриса профессионально пела (лирико-колоратурное сопрано), играла на фортепиано, танцевала, исполняла акробатические трюки. Роли Орловой в фильмах «Веселые ребята», «Цирк», «Волга-Волга», «Весна» до сих пор пользуются всенародной любовью. В результате, после своих успехов 30-х—40-х годов она ни в театре, ни в кино особенно не проявилась. Орлова тщательно заботилась о своей внешности, следила за модой, использовала все доступные медицинские средства продления молодости кожи и тела. Орлова на протяжении многих лет была примадонной советского киноэкрана, выгодно отличаясь от конкурирующих с ней киноактрис первого плана — Л. Н. Смирновой, М. А. Ладыниной — изысканной аристократической внешностью и ухоженностью.

До 1955 года работала только в кино. С 1955 года — актриса Академического театра имени Моссовета. Член Союза кинематографистов СССР.

Умерла от рака поджелудочной железы в 1975 году. Похоронена на Новодевичьем кладбище (участок № 3). На доме, где она жила Любовь Орлова установлена мемориальная доска.