Zij werd geboren als Larisa Dirij en deed eerst aan ballet. Toen haar choreograaf naar elders verhuisde, richtte zij haar aandacht op het turnen. Na haar middelbareschooltijd verhuisde ze naar Kiev, waar ze trainde bij de Burevestnik sportgemeenschap. Zij maakte haar internationale debuut in 1954, toen ze goud met de landenploeg won op het WK in Rome.
Vroege carrière
Tijdens de Olympische Zomerspelen van 1956 in Melbourne vocht ze (daags na de Hongaarse Opstand) een duel uit met de HongaarseÁgnes Keleti om de titel van meest succesvolle turnster. Beiden haalden zes medailles; Latynina werd olympisch kampioen met de landenploeg en won de individuele meerkamp, de sprong en vloeroefening. Ook won ze zilver op de brug met ongelijke leggers en het (niet meer bestaande) onderdeel landenwedstrijd met draagbare toestellen. Ook Keleti won viermaal goud en tweemaal zilver.
Hoogtepunten
In 1958 werd Latynina vijfvoudig wereldkampioen in Moskou terwijl ze zwanger was. Twee jaar later was zij opnieuw succesvol, tijdens de Spelen in Rome. Met de landenploeg haalden de dames van haar ploeg de eerste vier plaatsen; zij wonnen de landenwedstrijd met een nooit geziene voorsprong van negen punten. Verder wist zij haar titel op de vloer te prolongeren en won ze de individuele meerkamp. Ook won ze zilver op de brug ongelijk en de evenwichtsbalk. Op sprong werd ze derde.
In Tokio in 1964 werd ze andermaal olympisch kampioen met de landenploeg en op vloer. In de individuele meerkamp en op sprong werd ze tweede en ze haalde brons op de brug ongelijk en de evenwichtsbalk. Daarmee kwam haar olympisch medailletotaal op achttien: negen keer goud, vijf zilver en vier brons.
Na het WK van 1966, waar ze enkel nog zilver met de landenploeg won, zette zij een punt achter haar buitengewone carrière. Latynina werd trainer van de nationale ploeg tot 1977. Zij was betrokken bij de organisatie van het turntoernooi tijdens de Olympische Zomerspelen 1980 in Moskou. In 1989 ontving zij de Olympic Order, de hoogste onderscheiding van het IOC.
Na de politieke omwenteling in de Sovjet-Unie, begin jaren 1990, woonde Latynina jarenlang in Japan. Tegenwoordig woont ze in Semenovskoye in de Oblast Moskou.