Наиболее известна по картинам: «Карнавальная ночь» (1956), «Девушка с гитарой» (195, «Старые стены» (1973), «Соломенная шляпка» (1974), «Двадцать дней без войны» (1976), «Пять вечеров» (1979), «Любимая женщина механика Гаврилова» (1981), «Вокзал для двоих» (1982), «Любовь и голуби» (1984), «Моя морячка» (1990), «Старые клячи» (2000).
Родилась 12 ноября 1935 года, в городе Харьков, Украинская ССР, СССР, в рабочей семье шахтера, участника ВОВ. По словам актрисы, её мать происходит из дворян, а отец — из батраков. До начала войны родители Людмилы Гурченко работали в Харьковской филармонии. Отец 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.
Людмила оказалась в оккупированном немцами Харькове с матерью. Уже в том возрасте, по её словам, пела и танцевала перед немцами, чтобы получить хоть какое-то пропитание. Репертуар юной Гурченко был, в основном, из немецких оперетт. Главным образом, перед немцами молодая Люся Гурченко исполняла репертуар Марики Рёкк.
В 1953 году, после окончания десятилетки, она поехала в Москву и поступила во ВГИК, в мастерскую Сергея Герасимова и Тамары Макаровой, который окончила в 1958 году.
В кино Гурченко дебютировала в фильме Яна Фрида «Дорога правды» (1956). «Я не за тем сюда пришла, чтобы молчать!» — это была первая фраза Людмилы Гурченко в кино.
В том же году на экраны советских кинотеатров вышла новогодняя комедия молодого режиссёра Эльдара Рязанова «Карнавальная ночь», в которой Гурченко сыграла главную роль. Фильм имел огромный успех и на многие годы полюбился зрителям, а благодаря роли Леночки Крыловой Гурченко стала всесоюзной любимицей и кумиром поколения. «Карнавальная ночь» побила все рекорды проката, на неё было продано 48,64 миллионов билетов. В СССР песня «Пять минут» стала своеобразным гимном Нового года.
Людмила Марковна была 6 раз замужем, от второго брака с грузинским сценаристом и историком, выпускником сценарно-киноведческого факультета ВГИКа, князем Борисом Борисовичем Андроникашвили-Пильняк, в 1959 году, у неё родился единственный ребенок: дочь Мария, внуки и правнуки.
14 февраля 2011 года, Гурченко поскользнулась у своего дома и сломала бедро. Она была госпитализирована, на следующий день ей была сделана хирургическая операция и через 2 недели ее выписали домой, в Москву. 30 марта 2011 года, состояние актрисы ухудшилось, что было вызвано тромбоэмболией лёгочной артерии. Прибывшая бригада «Скорой помощи» (в пути 21 минута) не смогла её реанимировать и в 19:28 (UTC+4) была зафиксирована смерть актрисы, ей было 75 лет. Это подтвердил последний муж Гурченко, продюсер Сергей Михайлович Сенин.
Похоронена 2 апреля 2011 года, на Новодевичьем кладбище Москвы.
В ноябре 2015 года, к 80-летнему юбилею Людмилы Марковны, по мотивам ее книг «Моё взрослое детство», «Аплодисменты» и «Люся, стоп», на телеканале ВГТРК, вышел 12-серийный биографический сериал «Людмила Грученко» (в главной роли Юлия Пересильд).