Luigia Lollobrigida a Rómához közeli Subiacóban 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 szerepek követték, s rövid idő alatt Európa egyik legnépszerűbb színésznője lett.
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 keresztezte először útját nagy vetélytársa: az éppen gyermeket váró Lollobrigida kénytelen volt átengedni a főszerepet az akkor még ismeretlen Sophia Lorennek. Kettejük rivalizálását a korabeli sajtóban kebelháborúként emlegették: bár soha nem nyilatkoztak rosszat a másikról, soha nem játszottak együtt, s ha csak lehetett, még a találkozást is kerülték.
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.
Igazi hollywoodi sztár nem lett belőle, hiába reklámozták úgy, hogy ő a legjobb, ami a makaróni óta Itáliából érkezett. A Jó estét Mrs. Campbellért 1968-ban mégis Golden Globe-díjra jelölték, ahogy 1985-ben a Falcon Crest című tévésorozatért is.
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 képviselőtestületbe.
Számos díj és kitüntetés birtokosa: a Firenzei Művészeti Akadémia – harmadik nőként – tiszteletbeli tagjai közé választotta, a francia Művészeti és Irodalmi Rend lovagi fokozatával és a francia Becsületrend parancsnoka címével is kitüntették. A napokban jelentették be, hogy csillagot kap a hollywoodi Hírességek sétányán. Néhány éve árverésre bocsátotta ékszerei egy részét, hogy a bevételből szívügyét, az őssejtkutatást támogassa.
