В 1954 году окончила среднюю школу во Львове. В 1955 году поступила на режиссёрский факультет ВГИКа (мастерская А. П. Довженко, после его смерти в 1956 году — М. Е. Чиаурели). Ещё в студенческие годы она снялась в нескольких фильмах в качестве актрисы, в том числе в «Поэме о море» (1958), начатой А. П. Довженко и завершённой его супругой, Юлией Солнцевой.
Первый полнометражный фильм — дипломная работа «Зной» (1963) по повести Чингиза Айтматова «Верблюжий глаз» — снимался в Киргизии, где как раз незадолго до этого была реорганизована Киностудия документально-художественных фильмов, получившая в 1961 году название «Киргизфильм». На этапе монтажа картины Ларисе Шепитько помогал Элем Климов, в то время также студент ВГИКа. В 1963 году они стали супругами (их единственный сын Антон родился в 1973 году). А фильм «Зной» был удостоен премии за дебют на МКФ в Карловых Варах (1964).
Известность Ларисе Шепитько принёс её второй фильм «Крылья» (1966), рассказывающий о послевоенной судьбе лётчицы Надежды Петрухиной — одну из лучших своих ролей в этом фильме сыграла Майя Булгакова, признанная в 1966 году «лучшей актрисой года».
Следующий фильм — «Родина электричества» по мотивам рассказа Андрея Платонова — снимался в деревне Сероглазка Астраханской области, причём в картине были заняты и многие непрофессиональные исполнители, жители деревни. Фильм вместе с новеллами «Ангел» А. С. Смирнова и «Мотря» Г. С. Габая должен был войти в киноальманах «Начало неведомого века», который студия «Мосфильм» готовила к 50-летию Октябрьской революции. Однако по цензурным соображениям ни «Родина электричества», ни «Ангел» не были выпущены на экран (картину удалось восстановить и показать зрителям только через 20 лет, в 1987 году). Кстати, именно Андрей Смирнов вскоре снял свой самый знаменитый фильм «Белорусский вокзал» (1970), съёмки которого первоначально планировалось поручить Ларисе Шепитько.
Затем Лариса Шепитько сняла свой первый цветной фильм, музыкальную сказку «В тринадцатом часу ночи» (1969) — новогоднее ревю с такими известными артистами, как Владимир Басов, Георгий Вицин, Зиновий Гердт, Спартак Мишулин, Анатолий Папанов и др.
Вторая (и последняя) цветная картина «Ты и я» (1971) была снята по сценарию Ларисы Шепитько и Геннадия Шпаликова и посвящена их поколению, поколению тридцатилетних. Герои фильма — Пётр и Саша, талантливые учёные-медики, которые «ради случайных и необязательных удач, ради престижных перспектив… отложили свой талант на время (как они полагали) и устремились в мир материально-деловых завоеваний» . Главные роли в фильме сыграли Леонид Дьячков, Юрий Визбор и Алла Демидова (первоначально на главную женскую роль пробовалась Белла Ахмадулина). В том же году на МКФ в Венеции режиссёр была награждена за эту картину медалью в конкурсе молодого кино.
В 1974 году Ларисе Шепитько было присвоено звание заслуженного деятеля искусств РСФСР.
Вскоре начинаются съёмки фильма «Восхождение» по повести Василя Быкова «Сотников». В этом фильме первые большие роли блестяще сыграли молодые актёры Борис Плотников и Владимир Гостюхин. Фильм находился на грани запрета и вышел на экраны лишь после вмешательства первого секретаря ЦК КП Белоруссии Петра Машерова. «Восхождение» — сильная экзистенциальная драма о вере и предательстве — было удостоено главных призов Всесоюзного кинофестиваля в Риге, а на международном кинофестивале в Западном Берлине фильм получил Гран-при «Золотой медведь», премии ФИПРЕССИ и экуменического жюри. В 1978 году Лариса Шепитько получила приглашение войти в жюри Берлинского кинофестиваля.
Лариса была мистиком — верила, что жила уже несколько раз. В 1978 году, будучи в Болгарии, посетила знаменитую Вангу, предсказавшую ей скорую смерть. Услышав это, Лариса в тот же день вместе с подругой пошла в храм и взяла с неё клятву, что если она умрет, то подруга будет заботиться об её сыне Антоне.
После этого режиссёр готовит сценарий фильма «Матёра» по повести Валентина Распутина «Прощание с Матёрой». Съёмки должны были проходить на озере Селигер, и в начале июня 1979 года туда была запланирована киноэкспедиция.
Ранним утром 2 июля 1979 года киносъёмочная «Волга»-пикап на пустынном шоссе по неустановленной причине вышла на полосу встречного движения и врезалась в мчавшийся навстречу грузовик. На 187-м километре Ленинградского шоссе в сторону Калинина, близ поселка Редкино, оборвалась жизнь Ларисы Шепитько и членов съёмочной группы (в машине находились также оператор Владимир Чухнов, художник Юрий Фоменко и их ассистенты).
Работу над фильмом «Матёра» завершил муж Ларисы Шепитько, кинорежиссёр Элем Климов, назвавший картину «Прощание» (1982). Он также снял о ней документальный фильм «Лариса» (1980), смонтированный из фрагментов её фильмов и интервью с её коллегами.
Похоронена Лариса Шепитько на Кунцевском кладбище.