Девочка росла в музыкальной семье и рано проявила артистические наклонности: читала стихи и танцевала под отцовский баян, выступала перед гостями. После школы уехала в Москву и в 1958 году окончила ВГИК.
Дебютировала Гурченко в кино еще студенткой в 1956 году. Первый фильм, где она сыграла — «Дорога правды», не был особенно отмечен, но вслед за ним в этом же году вышла «Карнавальная ночь» Эльдара Рязанова, где Гурченко снялась вместе с широко известным Игорем Ильинским. После фильма актриса стала любимицей публики.
Людмила Гурченко проявила талант и как комедийная актриса в фильме «Девушка с гитарой», и как драматическая в ленте «Рабочий посёлок». А прекрасный вокал продемонстрировала в мюзикле Леонида Квинихидзе «Соломенная шляпка».
Актриса сыграла главные роли в фильмах, ставших классикой советского кинематографа: «Вокзал для двоих», «Любимая женщина механика Гаврилова», «Сибириада», «Любовь и голуби», «Виват, гардемарины!» и многих других.
В 1980-е годы Гурченко была удостоена награды «Золотой орел», звания «Лучшая актриса 1983 года» и стала Народной артисткой СССР. Всего в фильмографии актрисы около 90 фильмов. Кроме того, она автор нескольких книг, выпущен ряд пластинок с песнями в ее исполнении.
В конце 20 века Людмила Гурченко получила Государственную премию РФ в области литературы и искусства, орден «За заслуги перед отечеством» IV степени и стала почетным гражданином Харькова. Она до последнего дня вела активную творческую жизнь, выступала в концертах и на телевидении.
Людмила Марковна Гурченко умерла 30 марта 2011 года в Москве.