Luigia Lollobrigida a Rómához közeli Subiacóban, egy festői kis faluban nevelkedett három lánytestvérével. Fiatalon kitűnt társai közül szépségével, 1947-ben elnyerte a Miss Róma címet, a Miss Italia versenyen pedig harmadik lett. Mario Costa filmrendező 1946-ban egy római utcán fordult meg utána, így került tizenkilenc évesen a film világába. Statisztaként kezdte, majd Diana Loris néven kapott kisebb szerepeket, elsőként a Fekete sas című filmben. Az epizódszerepeket egyre nagyobb feladatok követték, s rövid idő alatt Európa egyik legnépszerűbb színésznője lett. A nézőket ekkoriban tehetségénél jobban elkápráztatta szépsége, érzékisége és barna szeme, s hiába tiltakozott, a „nagy kebel, kicsi ész” skatulyába sorolták be.
Rövid hollywoodi kitérő után az ötvenes évek első felében forgatta legsikeresebb filmjeit. A Királylány a feleségem cigánylányaként Gérard Philipe volt partnere, Az éjszaka szépeiben René Clair rendezte. Nevét 1953-ban, a Humphrey Bogart oldalán forgatott Afrika kincsei című szatírában ismerték meg világszerte. A Kenyér, szerelem... vígjátéksorozatban Vittorio de Sica volt a partnere, s a harmadik részben keresztezte először útját nagy vetélytársa: az éppen gyermeket váró „isteni Lollo” kénytelen volt átengedni a főszerepet az akkor még ismeretlen Sophia Lorennek.
 A két szexbomba soron következő rivalizálását a korabeli sajtóban kebelháborúként emlegették: bár soha nem nyilatkoztak rosszat a másikról, nem játszottak együtt, s ha csak lehetett, még a találkozást is kerülték. Ezt persze nem mindig tehették meg, 1961-ben a moszkvai filmfesztiválon futottak össze, e találkozásuk arról emlékezetes, hogy mindketten ugyanabban a méregdrága ruhában jelentek meg, később beperelték a tervező divatházat.
Lollobrigida két ízben is játszott az Alberto Moravia regényéből készült A római lányban: 1954-ben, 27 évesen a naiv utcalányt, 60 esztendősen az édesanyját alakította. Igazi nemzetközi karrierje 1955-ben jelképesen A világ legszebb asszonya című produkcióval indult, egy évvel később a cirkusz világába elkalauzoló Trapézban artistalányként Tony Curtis és Burt Lancaster partnere volt, majd a Victor Hugo regénye nyomán készült A párizsi Notre-Dame tragikus sorsú Esmeraldáját személyesítette meg.
Egy ideig Amerika és Európa között ingázott, igazi hollywoodi sztár mégsem lett belőle. Ismét otthon készült filmjei közül a legnagyobb visszhangot a Cicababák váltotta ki, amiért 1965-ben az álszent olasz cenzúra erkölcstelenség címén eljárást indított. Néhány film erejéig még vissza tudták csábítani a tengerentúlra, így a Jó estét, Mrs. Campbell forgatására, amelyért 1968-ban Golden Globe-díjra jelölték, ahogy 1985-ben a Falcon Crest című tévésorozatért is.
1969-ben Olaszországban sikeres tévéműsora indult, amelyben a történelem nagy asszonyalakjait elevenítette meg. A hetvenes évektől egyre kevesebbet szerepelt a vásznon, egyik utolsó emlékezetes alakítását a Pinocchio 1971-ben készült televíziós változatában, a tündér szerepében nyújtotta. Utoljára 2011-ben a Box Office 3D című olasz filmben szerepelt. A filmvászontól visszavonulva érdeklődése a fényképészet felé fordult, több könyvet is kiadott fotóival, ideje nagy részét a szobrászatnak szenteli, több kiállítást is rendezett. Megpróbálkozott a dokumentumfilmmel is, Fidel Castro exkluzív interjút adott neki, s énekesnőként sem volt sikertelen. 1999-ben elindult az európai parlamenti választásokon, de nem jutott be az uniós képviselő-testületbe.