Любовь Орлова родилась в дворянской семье. Ее отцом был чиновник военного ведомства Петр Орлов, а матерью – дальняя родственница Льва Толстого Евгения Сухотина. 

С семи лет Орлова училась в музыкальной школе. Позже, в начале 20-х, она училась в Московской консерватории по классу фортепиано. С 1922 года Любовь Орлова начала брать уроки актерского мастерства, а также училась на хореографическом отделении ГИТИСа. Работала тапером в нескольких московских кинотеатрах. 

В 1926 году она стала хористкой, а затем – актрисой Музыкального театра. На одном из спектаклей театра актрису заметил Григорий Александров, который предложил Орловой сняться в его фильме. 

На счету актрисы роли в таких классических картинах, как «Веселые ребята», «Цирк», «Волга-Волга» и другие «Весна». Образ Орловой прочно ассоциируется с советским кинематографом 30-х – 40-х годов. Долгое время, она оставалась самой популярной советской актрисой. 

Скончалась в 1975 году. Похоронена в Москве на Новодевичьем кладбище.