Людмила Марковна Гурченко родилась 12 ноября 1935 года в Харькове (УССР), в семье Марка Гавриловича Гурченко /Гурченков/ (1898—1973) и Елены Александровны Симоновой-Гурченко (1917—1999). По словам актрисы, её мать происходит из дворян, а отец — из батраков. Со дня рождения до начала Великой Отечественной войны жила вместе с родителями в Харькове в однокомнатной полуподвальной квартире по адресу: Мордвиновский переулок, № 17.

До начала войны родители Людмилы Гурченко работали в Харьковской филармонии. Отец после работы на шахте заработал две грыжи. Он был профессиональным музыкантом: играл на баяне и пел на утренниках, праздниках, а мать ему помогала. Несмотря на инвалидность и непризывной возраст, отец пошёл на войну. После освобождения Харькова 23 августа 1943 года, 1 сентября Людмила пошла в школу (в настоящее время гимназию) № 6, которая находилась во дворе дома, где она тогда жила. Осенью 1944 года поступила в музыкальную школу имени Бетховена.

В 1953 году, после окончания десятилетки, она поехала в Москву и поступила во ВГИК, в мастерскую Сергея Герасимова и Тамары Макаровой. На дипломном курсе играла роль Кето в оперетте «Кето и Котэ» и роль Имоджин в сценической композиции по Теодору Драйзеру «Западня», в которой и поет, и танцует, и играет на рояле. ВГИК она окончила в 1958 году.

В кино 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 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». Материальное положение молодой актрисы было сложным, поэтому она принимала предложения об участии в творческих встречах со зрителями, так называемых актёрских «халтурах». Это послужило поводом для травли, и в советской прессе появились «разоблачительные» статьи.

По утверждению некоторых источников актрису, оказавшуюся изгоем, не приглашали сниматься девять лет, однако в фильмографии Гурченко нет перерывов более одного года. Существует легенда, что якобы после фильма «Карнавальная ночь» в Гурченко влюбился высокопоставленный чиновник Госкино СССР и стал настойчиво, но безуспешно добиваться взаимности. В отместку за гордость Гурченко якобы была на долгие годы «отстранена» от кино, её не снимали. Легенда никоим образом не соответствует действительности, в чём легко убедиться, ознакомившись с богатой фильмографией актрисы: из 54 лет её кинокарьеры было всего двенадцать лет (в основном, во второй половине 90-х и в 2000-е годы), когда она не снималась. Наиболее же плодотворными были 1976, и 1978 (по 6 фильмов), 1973 (5 фильмов), 1972, 1990, 2000 и 2005 (по 4 фильма) годы. Появление же этой легенды объясняется путаницей Гурченко и её подруги и однокурсницы Зинаиды Кириенко, с которой похожая история действительно произошла.

Как сообщает русская редакция Би-Би-Си, со ссылкой на неназванных историков и искусствоведов, «Карнавальная ночь» вызвала недовольство советской номенклатуры, многие представители которой узнали себя в сатирическом образе директора ДК Огурцова. В интервью, опубликованном после её смерти в 2011 году, Гурченко называет причиной своей травли отказ от предложенного ей сотрудничества с КГБ и последовавший гнев министра культуры СССР Николая Михайлова. Актриса была вынуждена зарабатывать, выступая с концертами на заводах, на шахтах, в поездках по стране, и жила в общежитиях — первая квартира, по её словам, у неё появилась лишь после развода в тридцатилетнем возрасте.

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, премьера — 1974), где она исполнила роль Анны Георгиевны.

Людмила Марковна с успехом играла и пела в музыкальных лентах: «Табачный капитан» (1972), «Соломенная шляпка» (1974, премьера — 1975, Леонида Квинихидзе), «Мама» (1976), «Небесные ласточки» (1976), «Рецепт её молодости» (1983) и др.

Среди лучших работ Гурченко можно назвать её роли в фильмах «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, «Любовь и голуби» Владимира Меньшова.

Вышли несколько пластинок с песнями в исполнении Гурченко.

Последней работой Людмилы Марковны стал музыкальный видеоклип на песню Земфиры «Хочешь?», снятый в феврале 2011 года, за месяц до смерти актрисы. В клипе Гурченко исполняет песню, стоя среди экранных образов своих партнёров по киноработам, уже ушедших из жизни — Александра Абдулова, Юрия Белова, Олега Борисова, Евгения Евстигнеева, Александра Кайдановского, Андрея Миронова, Юрия Никулина, Олега Янковского.

Людмила Гурченко ушла из жизни 30 марта 2011 года. Прощание с ней состоялось 2 апреля в Центральном доме литераторов в Москве. Похороны прошли в тот же день на Новодевичьем кладбище. Актриса похоронена рядом с другими артистами — Татьяной Шмыгой, Олегом Янковским и Вячеславом Тихоновым.