Родилась 21 июля 1946 г. на хуторе Восточном (Усть-Лабинский район Краснодарского края) в крестьянской семье. По ее собственному утверждению, фактической датой рождения является 21 ноября 1946 г. Родители расстались вскоре после рождения Людмилы, ее воспитывала мать - Ольга Ильинична.
По окончании восьмилетней школы Людмила Зайцева приехала в Москву, на протяжении трех лет безуспешно пыталась поступить в Школу-студию им. Вл. И. Немировича-Данченко при Московском художественном академическом театре СССР им. М. Горького (ныне Школа-студия, институт, им. Вл. И. Немировича-Данченко при Московском художественном театре им. А. П. Чехова). В течение этих лет училась в вечерней школе, а также работала лаборанткой, штукатуром, уборщицей и др.
В 1965 г. Людмилу Зайцеву приняли во вспомогательный состав Рязанского театра юного зрителя (ныне Рязанский государственный областной театр для детей и молодежи), где она выступала в качестве актрисы массовых сцен.
В 1966 г. поступила в Москве в Театральное училище им. Б. В. Щукина (ныне Театральный институт им. Бориса Щукина при Государственном академическом театре им. Евг. Вахтангова). Окончила его в 1970 г. Выпускница курса профессора Марианны Тер-Захаровой.
В 1976 г. Людмила Зайцева вошла в состав труппы столичного Театра-студии киноактера (с 2019 г. - Центр театра и кино под руководством Никиты Михалкова, с 2024 г. - Мастерская "12" Никиты Михалкова), числится в ней по настоящее время.
Кинодебютом Людмилы Зайцевой стала эпизодическая роль в мелодраме "История Аси Клячиной, которая любила, да не вышла замуж" (1967, выход на экраны - 1988, режиссер Андрей Кончаловский). Известность актрисе принесли роли сержанта Зои Кирьяновой в военной драме "...А зори здесь тихие" по повести Бориса Васильева (1972, Станислав Ростоцкий) и сельской жительницы Александры Ярмолюк в мелодраме "Здравствуй и прощай" (1972, Виталий Мельников). Также она снималась в фильмах "Печки-лавочки" (1972, Василий Шукшин), "Двадцать дней без войны" (1976, Алексей Герман), "Маленькая Вера" (1988, Василий Пичул), "Царевич Алексей" (1997, Виталий Мельников), "Ласковый май" (2009, Владимир Виноградов), многосерийной драме "Тихий дон" по роману Михаила Шолохова (2015, Сергей Урсуляк) и др. В общей сложности актриса исполнила роли в более чем 60 фильмах и сериалах.
Член Союза кинематографистов РФ и Российской академии кинематографических искусств.
Народная артистка РСФСР (1989).
Лауреат Государственной премии СССР в области литературы, искусства и архитектуры (1983).
Была замужем за режиссером Геннадием Ворониным (1946-2011). Дочь - Василиса Воронина (род. 1982, актриса).