Людмила Зайцева родилась 21 июля 1946 года на хуторе Восточном Усть-Лабинского района Краснодарского края. Воспитывалась матерью одна. С детства мечтала об актёрской профессии.

Переехала в Москву для того, чтобы поступить в школу-студию при МХАТ. После трёх безуспешных попыток, в промежутке между которыми Зайцева работала лаборанткой, штукатуром, уборщицей, а также, в 1965—66 годах числилась во вспомогательном составе Рязанского театра юного зрителя, поступила в Щукинское училище, которое окончила в 1970 году.

С 1976 года — в театре-студии киноактёра.

Первой ролью Людмилы Зайцевой было эпизодическое появление в фильме Андрея Кончаловского «История Аси Клячиной, которая любила, да не вышла замуж». Первую главную роль Зайцева сыграла в фильме «Здравствуй и прощай» (1972) Виталия Мельникова. За роль в фильме «Праздники детства» (1982), снятый по рассказам Василия Шукшина, актриса была удостоена Государственной приемии СССР. Среди других известных ролей — роль Пелагеи в картине «Кадкина всякий знает», главные роли в фильмах «Дождь в чужом городе», «Затерянные в песках», роль матери главной героини в «Маленькой Вере».

В послеперестроечные годы Людмила Зайцева почти не снималась в кино, и только в последние несколько лет она вернулась на киноэкраны. В 1997 году она с успехом сыграла роль Ефросиньи в драме Виталия Мельникова «Царевич Алексей», а затем Екатерину Иоанновну в сериале Светланы Дружининой «Тайны дворцовых переворотов».

На выборах Президента РФ в 1996 году была доверенным лицом Геннадия Зюганова, ездила в рамках его избирательной кампании с концертными бригадами по стране.

В 1998 подписала письмо комитета «За нравственное возрождение отечества» против художника Авдея Тер-Оганьяна, который обвинялся в разжигании религиозной вражды.

В 2013 году стала сопредседателем Оргкомитета по подготовке и проведению памятных мероприятий, посвященных 20-летию расстрела Съезда народных депутатов России и Верховного Совета РФ.

С мужем — сценаристом и кинорежиссером Геннадием Ворониным прожила почти 50 лет. Овдовела в 2011 году. Дочь — актриса Василиса Воронина.