В 1978 году окончила Архангельское педагогическое училище по специальности «воспитатель детсада».
С 1982 до 1989 года училась на юридическом факультете Ленинградского государственного университета по специальности «правоведение».
В 1993-1995 гг. училась в Таврическом институте предпринимательства и права на экономическом факультете по специальности «учет и аудит».
В 1989 году переехала в Украину и до 1991 г. работала юрисконсультом Крымского обкома ЛКСМ Украины.
С 1991 по 1993 - инспектор по кадрам, заместитель начальника отдела поступления средств и коммерческой деятельности, и.о. начальника Крымского республиканского управления Пенсионного фонда Украины. После, до 1998 г., возглавляла управление Пенсионного фонда Украины в АР Крым.
В 1998 году стала министром экономики Крыма. С июля того же года по июль 2001-го была министром финансов АР Крым.
В 2000 году прокуратура задержала ее «за злоупотребление служебным положением». Поводом для конфликта, согласно самой распространенной версии, стал отказ Денисовой поставить подпись под документом, который запустил бы механизм выкачивания денег из республиканского бюджета, разработанный банком "Славянский" и крымскими должностными лицами при выпуске облигаций внутреннего займа. Вскоре дело было закрыто.
С августа 2000 по апрель 2006 гг. - депутат Верховной Рады Автономной Республики Крым.
С 2001 по 2002 год возглавляла управление Госказначейства в АРК. Была заместителем председателя движения «Прозрачная власть». С мая 2001-го - член Межведомственной комиссии по вопросам финансовой безопасности при Совете национальной безопасности и обороны Украины.
С того же года - председатель ООО "Корпорация «Гуматекс», специализирующейся на выпуске текстиля для технологических потребностей. С 2003 по 2005 гг. - председатель наблюдательного совета ООО "Корпорация «Гуматекс»". С 2005 по 2006 - председатель корпорации «Гуматекс».
В 2005 году вступила в партию ВО «Батькивщина».
На парламентских выборах 2006 года избрана в Верховную Раду Украины по списку БЮТ (№115). В 2007 году получила депутатский мандат также по списку БЮТ (№71).
В рейтинге «50 самых влиятельных крымчан», составленном журналом «Фокус», Денисова заняла 36-е место. В 2007 году в рейтинге «100 самых влиятельных женщин Украины», составленном журналом «Фокус», заняла 71-ю позицию.
18 декабря 2007 года Верховная Рада назначила Денисову министром труда и социальной политики в правительстве Юлии Тимошенко. 11 марта 2010 года ушла в отставку вместе со всем Кабмином Тимошенко после победы на президентских выборах Виктора Януковича.
Денисова возглавляла избирательный список «Батькивщины» на Крымских парламентских выборах в октябре 2010 года, но партия не смогла преодолеть проходной барьер.
На выборах в Верховную Раду Украины в 2012 году прошла в парламент под № 38 в избирательном списке из «Батькивщины», возглавила подкомитет по вопросам государственного социального страхования, развития социального диалога и деятельности объединений граждан сторон социального диалога Комитета по вопросам социальной политики и труда.
С 27 февраля 2014 года назначена министром социальной политики в правительстве Арсения Яценюка.
На внеочередных парламентских выборах 2014 года Денисова прошла в парламент от партии "Народный фронт" под номером 15.
Руководитель Постоянной делегации Украины в Парламентской ассамблее Организации Черноморского экономического сотрудничества.
15 марта 2018 года Верховная Рада назначила Людмилу Денисову уполномоченным парламента по правам человека. Такое решение поддержали 280 депутатов.
31 мая 2022 года Верховная Рада проголосовала за увольнение Людмилы Денисовой с должности омбудсмена.
01.06.2022