Людмила Шагалова родилась 6 апреля 1923 года в городе Рогачеве, в семье военного комиссара Александра Шагалова. Когда девочке исполнилось два года, скончалась ее мать.
В 1928 году отца перевели служить в Москву и назначили на должность заместителя наркома танковой промышленности. А в самом конце тридцатых годов его арестовали и отправили в лагерь.
Во время учебы в школе девушке было поручено приветствовать на митинге героев-папанинцев. Там она попала в кинохронику и была замечена режиссером Яковом Протазановым, который как раз искал молодую актрису для своего нового фильма.
Так, в 1937 году в возрасте 14 лет Людмила дебютировала в кино, сыграв роль Лёли в фильме Якова Протазанова «Семиклассники».
В первые два года войны Шагалова жила в эвакуации в Челябинске, где устроилась комендантом охраны на тракторной завод, переоборудованный под выпуск танков.
В 1943 году молодая актриса вернулась в столицу и поступила во ВГИК на курс С. А. Герасимова. Во время учебы на втором курсе вуза вышла замуж за Вячеслава Шумского, который был комиссован после ранения на фронте и пришел учиться в вуз на оператора.
Всесоюзная популярность пришла к Людмиле Шагаловой в 1948 году благодаря роли Вали Борц в культовом — двухсерийный военно-исторический фильме «Молодая гвардия».
За эту киноработу создатели были удостоены Сталинской премии. Однако, поначалу молодых исполнителей главных ролей в список лауреатов не включили, сославшись на то, что они еще студенты. Но Сергей Герасимов настоял на том, чтобы Нонна Мордюкова, Инна Макарова, Сергей Гурзо, Владимир Иванов и Людмила Шагалова разделили премию с другими участниками картины.
Любопытно, что создать очень точный и запоминающийся образ подпольщицы Шагаловой удалось благодаря дружбе с Борц, которая однажды пришла на репетицию. Девушки стали подругами, и Валя многое рассказала Людмиле о своей жизни и событиях тех страшных лет. Именно эта информация и дала нужные краски для роли.
В этом же года артистка была принята в труппу Театра-студии киноактёра, где прослужила 46 лет — до 1994 года.
Еще одной звездной киноработой актрисы стала роль Павлы Петровны Бальзаминовой, матушки Миши (Георгий Вицин) в популярнейшей комедии 1964 года «Женитьба Бальзаминова».
Всего за свою кинокарьеру Людмила Александровна сыграла более 50 ролей.
В 1987 году актрисы снялась в лентах «Где находится нофелет?» и «Ссуда на брак», после чего завершила кинокарьеру.
В 2000 году Шагаловой была сделана операция на глазах, в результате которой которой полностью потеряла зрение.
23 января 2011 года ушел из жизни муж актрисы, кинооператор Вячеслав Шумский.
3 марта 2012 года Людмила Шагалова скончалась в Москве после продолжительной болезни. Легендарная актриса похоронена на Перепечинском кладбище рядом с супругом.
Супруг — Вячеслав Шумский, оператор (1921—2011)
Сын — Геннадий Шумский (род. 23.09.1948), режиссёр, сценарист, актер.
Заслуженная артистка РСФСР (1965) — за заслуги в области советского киноискусства
Народная артистка РСФСР (1977) — за заслуги в области советского киноискусства
Сталинская премия первой степени за выдающиеся работы в области литературы и искусства за 1948 год (1949) — за кинокартину «Молодая гвардия»