Лидия Смирнова родилась в семье царского офицера и земской учительницы. Официально годом рождения является 1915, но сама актриса неоднократно говорила, что «убрала» себе 2 года, просто исправив «тройку» на «пятёрку» в документах того времени. Документальных подтверждений этому нет.

После смерти матери попала в семью старшего брата отца, в Тобольск. Потом вместе с дядей и тётей переехала в Москву. После школы поступила в промышленно-экономический техникум при Училище. Одновременно с учёбой три года занималась в государственной балетной школе ГАБТ (ныне Московская государственная академия хореографии). По окончании работала в Главном управлении авиационной промышленности. Затем стала студенткой Московского авиационного института. Занималась учёбой по технической специальности и даже не помышляла о карьере киноактрисы.

В театральную школу-студию пришла со второго курса авиационного института. Заявление подала одновременно в студию Е. Б. Вахтангова (ныне Театральный институт имени Бориса Щукина), школу-студию при Камерном театре и во ВГИК, и везде была принята. Выбрала школу-студию при Камерном театре, так как она было самым близким к дому (окончила в 1938 году). Когда училась в школе А. Я. Таирова, к ним часто приходили с киностудий приглашать студентов на съёмки. Когда нужна была голубоглазая блондинка, говорили: «У нас есть Смирнова», но утверждали её редко. Во время учёбы была актрисой Камерного и Реалистического театров.

Почтовая карточка, выпущенная к столетию со дня рождения Л. Н. Смирновой. Почта России, 2015 г., (ЦФА [ИТЦ «Марка»] № 2015-040/1).

В 1940—1945 годах — актриса киностудии «Мосфильм». Одна из первых ролей в кино — роль Шурочки в лирическом музыкальном фильме «Моя любовь». К 1941 году начала складываться её карьера киноактрисы.

С 1945 года — актриса Театра-студии киноактёра.

Автор книги воспоминаний, которую назвала в честь фильма, в котором снялась в начале своей творческой карьеры – «Моя любовь».

Член КПСС с 1952 года. Избиралась депутатом райсовета, а потом и Моссовета.

Долгие годы жила в квартире знаменитого дома-высотки на Котельнической набережной, в 2000-х много времени проводила в пансионате для ветеранов в Подмосковье, последние дни болела, лежала в одной из московских больниц.

Лидия Смирнова умерла 25 июля 2007 года в Зеленограде, в пансионате «Никольский парк» (по другим источникам — в Москве). Похоронена в Москве на Введенском кладбище рядом с могилой мужа В. А. Рапопорта.

Костюм Смирновой («Сваха» из «Женитьбы Бальзаминова»). Музей Москвы

Первым мужем (с 1932) был Сергей Александрович Добрушин (1904—1941), журналист. Не дожидаясь повестки, сам пошёл на призывной пункт и в сентябре 1941 года пропал без вести под Смоленском.

Второй муж (не были расписаны официально) — Владимир Абрамович Рапопорт (1907—1975), кинооператор и кинорежиссёр. Заслуженный деятель искусств РСФСР (1958). Познакомились в эвакуации в Алма-Ате.

Долгие годы у неё был роман с известным советским композитором Исааком Осиповичем Дунаевским (1900—1955), народным артистом РСФСР (1950).

В 70-е — 90-е годы XX века была близка с режиссёром и сценаристом Константином Наумовичем Воиновым (1918—1995), народным артистом РСФСР (1989).