Алла Ларионова родилась 19 февраля 1931 в Москве на Спартаковской улице, прямо напротив Елоховской церкви. Отец - директор райпищеторга, мать - завхоз в детском саду. Получила имя в честь тогдашнего кумира - актрисы Аллы Тарасовой.

Ещё во время учёбы в школе Алла Ларионова начала сниматься в кино в массовке. После окончания школы поступила в ГИТИС, затем, в 1948 году, во ВГИК, где познакомилась со своим будущим супругом Николаем Рыбниковым.

В 1953 году году на экраны СССР вышел фильм-сказка Александра Птушко «Садко», где доверили сыграть Алле Ларионовой. Фильм получил признание на кинофестивале в Венеции. Партнёр по фильму Сергей Столяров за исполнение роли Садко был причислен к лучшим актёрам мира за полувековую историю кино. А на молодую актрису посыпались предложения от иностранных режиссёров, в том числе и от Чарли Чаплина. Настоящую славу и всеобщее признание в СССР принесла актрисе главная роль в знаменитом фильме режиссёра Исидора Анненского «Анна на шее» — одном из лидеров кинопроката середины пятидесятых годов. Толпы людей, часто в непогоду, стояли в очередях перед кинотеатрами, чтобы увидеть эту картину.

В 1970-е годы её популярность сошла на нет. В последние годы жизни практически не снималась, хотя и была удостоена в 60-летнем возрасте звания «Народной артистки».

2 января 1957 года вышла замуж за актера Николая Рыбникова, с которым прожила 33 года. Вскоре после регистрации брака она родила дочь Алену - от актера Ивана Переверзева, с которым сблизилась во время совместных съемок в "Полесской легенде". В 1961 появилась на свет вторая дочка - Арина.

Алла Ларионова скончалась 25.4.2000 от обширного инфаркта. Об этом сообщили ночные новости канала ОРТ в 1 час ночи. Похоронена в Москве на Троекуровском кладбище.