Родилась 19 февраля 1931 г. в Москве в семье Дмитрия Андреевича и Валентины Алексеевны Ларионовых. Ее отец работал директором Бауманского райпищеторга, мать - завхозом в детском саду.
В 1953 г. Алла Ларионова окончила Всесоюзный государственный институт кинематографии (ныне Всероссийский государственный институт кинематографии им. С. А. Герасимова). Выпускница мастерской народных артистов СССР Сергея Герасимова и Тамары Макаровой.
В 1953-2000 гг. являлась актрисой Театра-студии киноактера (ныне Центр театра и кино под руководством Никиты Михалкова). В 1990-х гг. участвовала в антрепризном спектакле Вячеслава Шалевича "Коварство, деньги и любовь" по мотивам произведений Михаила Зощенко.
Алла Ларионова была широко известна в качестве киноактрисы. Дебютной для нее стала роль Любавы в сказочном фильме "Садко" (1952, режиссер Александр Птушко). Среди ее киноработ: Анна Соболева в экранизации рассказа Антона Чехова "Анна на шее" (1954, Исидор Анненский), Анна Сергеевна Одинцова в экранизации романа Ивана Тургенева "Отцы и дети" (1958, Наталья Рашевская и Адольф Бергункер), Мария Колесова в фильме "Ко мне, Мухтар!" по повести Израиля Меттера "Мухтар" (1964, Семен Туманов), Ксана Георгиевна в мелодраме "Седьмое небо" (1972, Эдуард Бочаров). В общей сложности Алла Ларионова снялась в более чем 30 фильмах.
Алла Ларионова скончалась 25 апреля 2000 г. в Москве на 70-м году жизни. Похоронена на Троекуровском кладбище.
Народная артистка РСФСР (1990).
Обладательница приза Всесоюзного фестиваля актеров советского кино "Созвездие" (Смоленск, 1991) и награды Гильдии актеров кино России "За выдающийся вклад в профессию" (1998).
Была замужем за народным артистом РСФСР Николаем Рыбниковым (1930-1990). Старшая дочь - Елена (род. 1957, режиссер телевизионного монтажа; ее биологическим отцом был актер Иван Переверзев). Младшая дочь - Арина (1961-2004, работала в издательской сфере).