Родилась 31 января 1913 года в семье царского офицера и земской учительницы в Тобольске (по другим источникам, в Мензелинске, Уфимская губерния). Судьба ее семьи очень трагична: когда Лидии было всего 4 года, ее 9-месячный брат умер, мать не вынесла горя и сошла с ума. Позже она умерла в психиатрической больнице. Отец погиб на Гражданской войне. Смирнову забрал к себе дядя, позже переехавший в Москву.
В школе Лидия училась неважно, особенно плохие оценки получала по поведению, и ее даже хотели отчислить. Однако в то же время она была активисткой, старостой и председателем спортивной организации. Многие прочили ей спортивную карьеру, но Лидия, ко всеобщему удивлению, после седьмого класса перешла в промышленно-экономический техникум, по окончании которого поступила на вечернее отделение МАИ. Она совмещала учебу с работой лаборанткой в Главном управлении авиационной промышленности. Благодаря своему начальнику, который был заядлым театралом, Смирнова неожиданно для себя увлеклась драматическим мастерством настолько, что ушла из МАИ и подала документы сразу в три театральных вуза: во ВГИК, в Вахтанговское училище и в Школу-студию Камерного театра Таирова, на которой и остановила свой выбор.
Педагоги хвалили Лидию, кинематографисты часто приглашали ее на пробы в кино, но в основном она получала маленькие, незаметные роли. После получения диплома Смирнова присоединилась к труппе очень популярного тогда Камерного театра. Она сыграла там только в одном спектакле – «Аристократы». В это время актрисе предложили исполнить Шурочку в картине «Моя любовь» (1940), и театр уехал на гастроли без нее.
Лента сделала Смирнову очень популярной: повсюду висели ее портреты, поклонники пели песни из фильма, писали ей письма, брали автографы. Вскоре у актрисы начался роман со знаменитым композитором Исааком Дунаевским, хотя на тот момент она была замужем. Ее супруг погиб в первые месяцы войны. Молодая и красивая, Лидия остро нуждалась в восхищении, обожании, но серьезных планов не строила.
Смирнова продолжала сниматься и во время Великой Отечественной: в ленте «Парень из нашего города» она сыграла главную женскую роль Вари Лукониной-Бурминой, в картине «Она защищает Родину» – партизанку Феньку, Варю Маркину – в «Морском батальоне». В тот же период актриса познакомилась со своим вторым мужем, оператором и режисссером Владимиром Рапопортом.
Из послевоенных работ Лидии следует отметить картины «Новый дом», «У них есть Родина» (за этот фильм она была удостоена Сталинской премии).
В 1950-е годы Смирнова сменила амплуа, стала играть более характерных героинь. Кажущиеся смешными комедийные роли она преподносила так, что зритель невольно подмечал всю драматичность ситуации: сваха из «Женитьбы Бальзаминова», докторша из «Добро пожаловать, или Посторонним вход воспрещен!», продавщица Дуська из «Анискин и Фантомас».
Фильмография актрисы включает телекартины «Наследницы» и «Наследницы 2», сериал «Идеальная пара», драму «Приют комедиантов».
Лидия Смирнова скончалась 25 июля 2007 года в одной из больниц Москвы.
