Еще во время учебы в школе Алла Ларионова начала сниматься в кино в массовых сценах. После окончания школы поступила в ГИТИС, затем, в 1948 году, во ВГИК, где познакомилась со своим будущим супругом Николаем Рыбниковым.

В 1953 году на экраны СССР вышел фильм-сказка Александра Птушко «Садко», где роль Любавы доверили сыграть Алле Ларионовой. Фильм получил признание на кинофестивале в Венеции, и на молодую актрису посыпались предложения от иностранных режиссёров, в том числе и от Чарли Чаплина.

Настоящую славу и всеобщее признание в СССР актрисе принесла главная роль в знаменитом фильме режиссера Исидора Анненского «Анна на шее» — одном из лидеров кинопроката середины 1950-х годов.

В 1970-е годы ее популярность сошла на нет. В последние годы жизни практически не снималась, хотя и была удостоена в 60-летнем возрасте звания «Народной артистки».

Скончалась 25 апреля 2000 года от обширного инфаркта. Похоронена в Москве на Троекуровском кладбище.