Людмила Хитяева родилась 15 августа 1930 года в Нижнем Новгороде, в семье инженера Ивана Яковлевича Хитяева и военного врача Веры Ивановны Хитяевой.
После школы будущая звезда поступила в Горьковское театральное училище.
В 1952 году, окончив вуз, Хитяева стала актрисой Горьковского театра драмы им. М. Горького
Во время службы в театре Людмилу заметил писатель Анатолий Рыбаков — автор знаменитой тетралогии «Дети Арбата», который порекомендовал своему знакомому режиссеру Исидору Анненскому задействовать молодую актрису в своем новом проекте.
В 1957 году Людмила Хитяева дебютировала в кино, сыграв главную роль в мелодраме Исидора Анненского «Екатерина Воронина».
Всемирная популярность пришла к актрисе 1958 году благодаря роли Дарьи Мелеховой в киноэпопее режиссера Сергея Герасимова «Тихий Дон».
За свою карьеру Людмила Хитяева сыграла более 40 ролей в фильмах и сериалах, из которых наиболее популярными и любимыми зрителями стали «Поднятая целина» (1959), «Евдокия» (1961), «Вечера на хуторе близ Диканьки» (1961), «Стряпуха» (1966), «Цыган» (1967) и «Финист — Ясный сокол» (1975).
Первый супруг — Александр Белокринкин, актер
Второй супруг — Борис Якобсон, врач-уролог (умер скоропостижно)
Третий супруг — Валерий Леонтьев, спортсмен и постановщик трюков
Сын — Павел Белокринкин, работник торгового представительства
Заслуженная артистка РСФСР (1965) — за заслуги в области советского киноискусства
Народная артистка РСФСР (1983) — за заслуги в развитии советского киноискусства
Орден Почета (2002) — за многолетнюю плодотворную деятельность в области культуры и искусства, большой вклад в укрепление дружбы и сотрудничества между народами