Людмила Шагалова родилась в семье военнослужащего, в два с половиной года осталась без матери. С 1928 года она жила в Москве. В кино Людмила Шагалова дебютировала в возрасте четырнадцати лет в фильме Я.А. Протазанова «Семиклассники» (1937). С началом Великой Отечественной войны она была эвакуирована в Челябинск, где работала на тракторном заводе. В 1943 году Шагалова вернулаь в Москву и поступила на учебу во Всесоюзный государственный институт кинематографии (мастерская С.А. Герасимова). Вместе с многими своими сокурсниками она приняла участие в съемках фильма С.А. Герасимова «Молодая гвардия» (1948), сыграв роль Вали Борц, за которую была удостоена Сталинской премии первой степени (1949). В 1948-1994 годах Л.А. Шагалова была актрисой Московского театра-студии киноактера. Мужем актрисы был кинооператор В.М. Шумский.
Актриса снималась в фильмах «Верные друзья» (1954), «Дело № 306» (1956), «Сказка о потерянном времени» (1964), «Женитьба Бальзаминова» (1965), «Не может быть» (1975), «Ледяная внучка» (1980), «Усатый нянь» (1984), «Пеппи Длинный чулок» (1984), «Ссуда на брак» (1987), «Где находится нофелет» (1987). Особый успех ей выпал в роли матери главного героя в фильме «Женитьба Бальзаминова», за которую Шагалова была признана лучшей актрисов 1965 года опросу журнала «Советский экран». В том же году Л.А. Шагаловой было присвоено звание заслуженной артистки России, а в 1977 году — народной артистки России. Всего Шагалова снялась в более чем пятидесяти художественных фильмах, но после 1987 года в кино не снималась.