Родилась 29 января 1902 года в Звенигороде в дворянской семье. Родители стремились дать дочери лучшее образование, пророчили ей будущее профессиональной пианистки, поэтому в 7 лет отдали Любовь в музыкальную школу. В период с 1919 по 1922 годы Любовь Орлова училась в Московской консерватории, но не смогла получить образование из-за трудного материального положения. С 1922 по 1925 годы Любовь была студенткой хореографического отделения Московского музыкального техникума. В этот же период посещала уроки актёрского мастерства. После окончания музыкального техникума была принята хористкой в Музыкальную студию при МХАТе.
Изначально она получала только эпизодические роли на сцене, но её талант позволил добиться успеха. В 1932 году она получила первую сольную партию Периколы в одноименной оперетте Оффенбаха.
В 1933 году её заметил знаменитый режиссёр Григорий Александров, за которого актриса вскоре вышла замуж, её первый муж в это время отбывал наказание в ГУЛАГе. Замужество на Александрове стало поворотным моментом в судьбе Любови Орловой. Именно благодаря Григорию Александрову актриса стала появляться в кино (в том числе и в его собственных картинах).
Уже в 1934 году Любовь Орлова снялась в фильме «Весёлые ребята», который стал популярен среди советских зрителей и принёс актрисе всенародную любовь и популярность. В 1936 году она снялась в картине «Цирк», в 1938 году ей досталась роль в ленте «Волга-Волга». Вплоть до середины 1950-х Любовь Орлова играла только в кино и стала за это время настоящим кумиром. С 1955 года, продолжая сниматься, она оказалась в труппе Академического театра имени Моссовета, на сцене которого актриса блистала в спектаклях «Лиззи Мак-Кей», «Милый лжец» и «Странная миссис Сэвидж».
Последняя роль в кино актриса сыграла в 1974 году в фильме «Скворец и Лира», но картина так и не вышла на экраны.
В 1975 году Любовь Орлова скончалась от рака поджелудочной железы и была похоронена на Новодевичьем кладбище.