В 1975 году Людмила отправилась в Москву поступать в театральный институт. Успешно сдав экзамены, была зачислена в Школу-студию МХАТ, но проучилась там всего один год — была отчислена за неудовлетворительную оценку на экзамене по предмету «История КПСС». После отчисления поступила в Щукинское училище[3].
В 1978 году, будучи студенткой театрального училища, Людмила дебютировала в кино, снявшись в главной роли в советском художественном фильме «Кузнечик» режиссёра Бориса Григорьева, после чего отечественные кинорежиссёры начали предлагать ей одну роль за другой. В 1980 году на экраны страны вышли сразу три фильма с её участием: «Мелодия на два голоса», «Петровка, 38», «Через тернии к звёздам». В мае 1981 года состоялась премьера второго фильма советского телевизионного сериала «Государственная граница» под названием «Мирное лето 21-го года», где Людмила Нильская сыграла роль коварной польской шпионки, пани Ядвиги Ковальской, принесшую актрисе всесоюзную известность.
До распада СССР 26 декабря 1991 года актриса снялась более чем в 20 художественных фильмах. В 1994 году Нильская вместе с мужем и трёхгодовалым сыном эмигрировала в США. Муж открыл в Калифорнии автомастерскую, но его бизнес быстро прогорел. Нильская работала продавцом в магазине одежды, уборщицей, водителем при социальной службе, тестировала компьютерные программы[3][4][5].
В 2001 году, после того, как муж объявил Нильской, что у него давно есть другая женщина и ушёл из семьи, она осталась одна с десятилетним сыном без денежных накоплений.[источник не указан 15 дней]
Летом 2003 года Людмила Нильская вместе с сыном Дмитрием вернулась в Москву, поселившись на съёмной квартире. Стала работать в Театре Луны под руководством Сергея Проханова, играть в антрепризных спектаклях, сниматься в телесериалах.[источник не указан 15 дней]
Одной из первых работ актрисы в кино после возвращения в Россию стала роль Галины Брежневой в телесериале «Красная площадь» (2004). Актрису стали приглашать в различные сериалы на второстепенные роли.[источник не указан 15 дней]
В 2008 году Людмила Нильская сыграла главную роль в многосерийном биографическом телевизионном художественном фильме «Галина» режиссёра Виталия Павлова, где снова создала образ Галины Брежневой. В 2009 году за исполнение этой роли была удостоена российской кинопремии «Золотой орёл» в номинации «Лучшая женская роль на телевидении».
2009 — лауреат российской кинопремии «Золотой орёл» в номинации «Лучшая женская роль на телевидении» — за роль Галины Брежневой в многосерийном телевизионном художественном фильме «Галина» (2008).