Ljubov' Orlova nacque nel 1902 a Zvenigorod da una famiglia nobile. Il padre, Pëtr Fëdorovič Orlov, servì presso il ministero della guerra ed ottenne alte onorificenze imperiali. Ljubov' Orlova rinnegò il padre e dopo la Rivoluzione dichiarava di essere nata in una famiglia di operai e contadini. La madre era Evgenija Nikolaevna Suchotina, la cui famiglia, anch'essa nobile, era imparentata con quella del conte Tolstoj[2].
La Orlova dimostrò fin da bambina un grande talento di attrice, che fu notato dall'amico di famiglia Fëdor Šaljapin. Questi consigliò ai genitori di far intraprendere alla figlia studi artistici, e al compimento di sette anni Ljubov' Orlova venne iscritta ad una scuola musicale. Studiò poi nella classe di pianoforte del Conservatorio di Mosca tra il 1919 e il 1922. Tra il 1922 e il 1925 frequentò la sezione di coreografia del teatro dell'Istituto Lunačarskij e le lezioni di recitazione della regista del Teatro d'Arte di Mosca E. S. Telešova. Tra il 1920 e il 1926 lavorò inoltre in numerosi teatri moscoviti come insegnante di musica e come pianista di accompagnamento di film muti. Tra il 1926 e il 1933 fu corista e poi attrice del teatro musicale sotto la direzione di Vladimir Nemirovič Dančenko.
Il personaggio di Ljubov' Orlova è interpretato da Olesja Sudzilovskaja nel film tv russo in sedici puntate Orlova i Aleksandrov (2015), incentrato sulla vita dell'attrice e del marito Grigorij Aleksandrov[4].
Nel 1976 le è stata dedicata una nave rompighiaccio andata alla deriva nel 2013 e mai più ritrovata[5].