Советская и российская актриса театра и кино. Народная артистка РСФСР.
Родилась в Нижнем Новгороде.
В 1952 году окончила Горьковское театральное училище и стала актрисой Горьковского театра драмы им. М. Горького.
На горьковской театральной сцене её заметил известный писатель Анатолий Рыбаков и рекомендовал режиссёру киностудии им. М. Горького Исидору Анненскому, искавшему исполнительницу на главную роль в своём фильме «Екатерина Воронина» (1957), которая и стала её дебютом в кинематографе.
С 1962 года Людмила Хитяева — актриса киностудии им. М. Горького.
В 2014 году была соведущей ток-шоу «Дело ваше» на Первом канале.
Живёт и работает в Москве.