Larissza Szemjonovna Gyirij néven született 1934-ben az Ukrán SZSZK területén fekvő Herszonban. Gyerekként balettozni tanult, de miután mestere elköltözött a városból, tornázni kezdett. 1953-tól a kijevi Műszaki Főiskolán folytatta tanulmányait. A szovjet sportküldöttséggel még ebben az évben kijutott a bukaresti világifjúsági találkozóra (VIT), ahol aranyérmes gyakorlattal debütált a nemzetközi porondon. Hazatérése után végleg a sportnak kötelezte el magát, a Burevesztnyik Kijev versenyzője lett, és a Testnevelési Főiskolán tanult tovább.

Első nagy nemzetközi versenyén, az 1954-es római világbajnokságon aranyérmet szerzett a szovjet csapat tagjaként. Az 1956-os melbourne-i olimpián kiváló egyéni teljesítményével emelkedett ki csapattársai közül. Győzött egyéni összetettben, valamint lóugrásban és talajon (ez utóbbin holtversenyben a szintén éremhalmozó Keleti Ágnessel), ezüstérmet kapott felemáskorláton, és csapatban is arany-, illetve a kéziszer-csapattal bronzérmet szerzett. Az 1960-as római olimpián ismét győzelmet aratott egyéni összetettben és talajtornában. Gerendán és felemáskorláton ezüstérmet, lóugrásban bronzérmet szerzett, s a szovjet válogatottal is újabb olimpiai bajnoki címet nyert. 30 évesen jutott ki harmadik olimpiájára, az 1964-es tokiói ötkarikás játékokra, ahol talajon és csapatversenyben olimpiai bajnok, összetettben és lóugrásban ezüstérmes, gerendán és felemáskorláton bronzérmes lett.

Három olimpián összesen 18 érmet (9 arany, öt ezüst és 4 bronz) gyűjtött, ezzel minden idők legeredményesebb olimpikonja lett. Rekordját 48 év után döntötte meg Michael Phelps, aki a londoni olimpián, 2012. július 31-én a győztes 4x200-as amerikai gyorsváltó tagjaként már a 19. olimpiai érméért állt a dobogóra. A női olimpikonok között és az egyéniben szerzett érmek számát tekintve továbbra is csúcstartó Latinyina élőben kísérte figyelemmel a trónfosztó győzelmét, aminek őszintén örült, szerinte éppen ideje volt, hogy felbukkanjon egy férfi, aki képes ugyanarra, amit ő nőként véghezvitt. Arra kérte az olimpiai bizottságot, hogy személyesen adhassa át az aranyérmet az amerikai úszónak, de kérését a szabályokra hivatkozva elutasították. Kettejük találkozása mégsem hiúsult meg. A Louis Vuitton cég "Két különleges utazás. Csak egy odavezető út. Larissza Latinyina és Michael Phelps. Egy tornász- és egy úszólegenda" szlogennel meghirdetett Alapvető Értékek kampányának arcaiként ültek egymás mellé, s beszéltek a sikerhez vezető útjukról és szenvedélyük továbbadásának fontosságáról. Találkozásukat a szintén világhírű Annie Leibovitz amerikai fotóművész örökítette meg.

Latinyina az olimpiákhoz hasonlóan a világbajnokságokon is igen eredményes volt, három vb-n 14 érmet szerzett. Az 1954-es római csapataranyat 1958-ban 5 arannyal és egy ezüsttel, 1962-ben pedig 3 arany, 2 ezüst és egy bronz éremmel toldotta meg. Legsikeresebb világbajnokságán, 1958-ban négy hónapos terhesen hozott el hat aranyéremből ötöt. Mindemellett hét Európa-bajnoki címet is begyűjtött. Az 1956-os olimpiai gerendagyakorlat kivételével érmet szerzett minden versenyszámban, amiben indult. Kecsessége, finom stílusa, tökéletes technikai tudása és harmonikus mozgása leginkább a talajtornában érvényesült, ebben a számban három egymást követő olimpián nem talált legyőzőre.

Az 1966-os vb már a fiatalabb nemzedékről szólt, Latinyina ekkor egy csapatban szerzett ezüstéremmel búcsúzott az aktív versenyzéstől. 1966-1977 között edzőként irányította a szovjet tornászválogatottat, amelyből háromszoros olimpiai bajnok (1968, 1972, 1976) sikercsapatot faragott. 1968-ban tanítványaival Magyarországon is járt, bemutatóturnéjukról Mesterfokon címmel készített dokumentumfilmet Mahrer Emil rendező. Az 1980-as moszkvai olimpián jó szervezőkészségét is bizonyította, ő felelt a tornaversenyek lebonyolításáért.

A ma orosz állampolgár Latinyinát hazájában számos díjjal jutalmazták, többek között kapott Lenin-rendet, orosz Becsületrendet, legutóbb, 2010-ben a Haza Szolgálatáért Érdemrend 3. fokozatát vehette át. A Nemzetközi Olimpiai Bizottság 1989-ben az Olimpiai Érdemrend ezüst fokozatával tüntette ki. 1998-ban beválasztották a torna Hírességeinek Csarnokába.