Lucia, figlia di Domenico Borloni e Francesca Bosè era una commessa milanese della famosa Pasticceria Galli quando fu notata dal regista Luchino Visconti. Le porte del cinema si aprirono dopo il 1947 grazie alla vittoria del concorso Miss Italia a Stresa. Alla stessa edizione parteciparono altre concorrenti divenute poi famose attrici: Gianna Maria Canale, Gina Lollobrigida (classificate seconda e terza), Silvana Mangano ed Eleonora Rossi Drago, poi esclusa perché sposata e madre.
Superò il provino per Riso amaro ma l’opposizione della famiglia la costrinse a rinunciare al film. Partecipò comunque ad alcune pellicole che segnarono l’affermazione del neorealismo italiano, come Non c’è pace tra gli ulivi (1950) di Giuseppe De Santis, ma soprattutto Cronaca di un amore (1950) di Antonioni per il quale fu anche La signora senza camelie (1953). In questo primo periodo fu diretta anche da Luciano Emmer e Francesco Maselli partecipando inoltre a diverse pellicole brillanti a fianco del suo primo fidanzato Walter Chiari. Dopo 17 film si sposò e lasciò il cinema ma rimase un popolare personaggio da rotocalco. Tornò sugli schermi alla fine degli anni sessanta, per lo più in ruoli secondari in pellicole quali Sotto il segno dello scorpione dei Taviani; Metello di Mauro Bolognini, Fellini Satyricon, di Federico Fellini.
Tra le interpretazioni successive si ricordano: Cronaca di una morte annunciata (1987), di Francesco Rosi, L’avaro (1990) di Tonino Cervi nel cui film è stata doppiata da Angiolina Quinterno, Volevo i pantaloni (1990) di Maurizio Ponzi, I Viceré (2007) di Roberto Faenza.
Nel 2000 riesce a realizzare un suo sogno di gioventù e crea nella città di Turégano il primo Museo degli Angeli che raccoglie le rappresentazioni degli angeli provenienti da ogni parte del mondo. In Cronaca di un amore è stata doppiata da Rosetta Calavetta. Nelle ultime puntate della fiction Capri 3 la voce di Lucia Bosè è sostituita da quella di Marzia Ubaldi.
Nel 2017 riceve il Wilde Vip European Award per l’arte e la cultura, onorificenza conferita dalla Dreams Entertainment con l’Osservatorio Parlamentare Europeo.
È morta il 23 marzo 2020 a causa di una polmonite, dopo il ricovero in ospedale a Segovia, in Spagna.