Lorena Llamas commence le cyclisme en 2012, après avoir pratiqué l'athlétisme. D'abord cyclotouriste, elle se lance plus sérieusement en compétition après avoir remporté le championnat de Catalogne en 2014[1]. En 2015, elle intègre l'équipe Frigoríficos Costa Brava où elle fournit un travail important pour Anna Kiesenhofer, lauréate de la Coupe d'Espagne l'année suivante[2].
Ses résultats lui permettent d'être recrutée en par l'équipe Bizkaia-Durango. Elle s'y affirme comme l'une des meilleures grimpeuses du calendrier espagnol[1]. En 2017, elle obtient ses premières victoires, à Buitrago del Lozoya en mars, puis en mai à l'Emakumeen Aiztondo Sari Nagusia, troisième manche de la coupe d'Espagne[2].
En 2018, elle est engagée par la nouvelle équipe Movistar. Elle y évolue désormais dans un environnement professionnel[1]. Elle passe près de la victoire lors de la ReVolta, nouvelle course organisée par le Tour de Catalogne où elle n'est devancée que par Lauren Stephens[2]. En fin de saison, elle dispute le championnat du monde sur route à Innsbruck avec l'équipe d'Espagne. Elle en prend la 57e place. En 2019, elle gagne le GP Ciudad de Eibar, manche de la coupe d'Espagne.
