В 1980 году окончила Высшее театральное училище имени Б.В. Щукина (курс Аллы Казанской). По окончании училища была принята в труппу Московского академического театра имени Владимира Маяковского (1980-1994).
В 1978 году, будучи студенткой театрального училища, Людмила дебютировала в кино, снявшись в главной роли в советском художественном фильме «Кузнечик» режиссёра Бориса Григорьева, после чего отечественные кинорежиссёры начали предлагать ей одну роль за другой. В 1980 году на экраны страны вышли сразу три фильма с её участием: «Мелодия на два голоса», «Петровка, 38», «Через тернии к звёздам». В мае 1981 года состоялась премьера второго фильма советского телевизионного сериала «Государственная граница» под названием «Мирное лето 21-го года», где Людмила Нильская сыграла роль коварной польской шпионки, пани Ядвиги Ковальской, принесшую актрисе всесоюзную известность.
Людмила Нильская с лёгкостью перевоплощается как в положительных героинь, преследующих светлые идеалы, так и в хватких особ. В фильмографии актрисы работы в картинах разных жанров: комедии «Где находится нофелет?», фантастическом фильме «Через тернии к звёздам», приключенческой ленте «Гардемарины, вперед!», исторической картине «Моонзунд» и фильме-катастрофе «Штормовое предупреждение» и других.
До распада СССР 26 декабря 1991 года актриса снялась более чем в 20 художественных фильмах. В связи с экономическим спадом в стране кинопроизводство практически остановилось, а многие актёры оказались не востребованы. Для Людмилы не было перспектив ни в театре, ни в кино, они с мужем оба остались без работы. Муж, Георгий Исаев, предложил переехать в США, где пообещал устроить свой собственный бизнес на средства, вырученные от продажи двухкомнатной квартиры Людмилы в Москве, и обеспечить благополучие всей семьи. Людмила хорошо осознавала, что как актриса в Америке никому не будет нужна. Но муж возлагал на эту страну большие надежды. В результате в 1994 году Людмила Нильская вместе с мужем и трёхгодовалым сыном уехали в США. Георгий открыл в Калифорнии автомастерскую, но его бизнес быстро прогорел. Людмиле пришлось искать работу. Там она трудилась и продавцом в магазине одежды, и уборщицей, и водителем при социальной службе, тестировала компьютерные программы.
Летом 2003 года Людмила Нильская вместе с сыном Дмитрием вернулась в Москву. А уже осенью стала работать в Театре Луны под руководством Сергея Проханова, играть в антрепризных спектаклях, сниматься в телесериалах.
Одной из первых работ актрисы в кино после возвращения в Россию стала роль Галины Брежневой в телесериале «Красная площадь» (2004). Людмила Нильская, вспоминая о работе в сериале, рассказывала, что для роли пожилой Галины ей каждый раз перед съёмками делали специальный грим и накладывали силиконовую маску на лицо, что занимало по 2 часа.
В 2008 году Людмила Нильская сыграла главную роль в многосерийном биографическом телевизионном художественном фильме «Галина» режиссёра Виталия Павлова, где снова образ дочери Генерального секретаря ЦК КПСС Леонида Ильича Брежнева. В 2009 году за исполнение этой роли актриса удостоена российской кинопремии «Золотой орёл» в номинации «Лучшая женская роль на телевидении».
С 2008 года Людмила Нильская – актриса Государственного театра киноактёра в Москве.
В последнее время актриса не так часто появляется на телеэкранах, как хотелось бы её поклонникам, но она не даёт о себе забыть и периодически даёт интервью. Так, летом 2020 года артистка Людмила Нильская пообщалась с репортёрами интернет-издания «Аргументы недели».
В ходе беседы Людмила Валерьевна сообщила, как её обошла звёздная болезнь, как хотела стать дизайнером одежды, а о карьере актрисы и не мечтала. А также о том, как родители не воспринимали серьёзно профессию дочери до того момента, когда впервые увидели её на телеэкранах.