С 1943 года будущая главная женщина-режиссер СССР училась во ВГИКе у мэтров кинематографа — Сергея Герасимова и Тамары Макаровой. Позднее Лиознова рассказывала, что изначально ее приняли на актерский курс, но затем она добилась перевода и стала режиссером.
Студентка работала на Студии имени Горького и была ассистентом Герасимова на съемках культовой военно-исторической драмы «Молодая гвардия». Затем в жизни Лиозновой наступила черная полоса: из-за еврейских корней ей не позволили работать по специальности. Несмотря на трудности, она смогла остаться на плаву, подрабатывая ассистентом режиссера в театре и обозревателем в «Литературной газете».
Свой первый фильм Лиознова поставила в 1958 году — это была «Память сердца» по сценарию Герасимова. В картине рассказывается история английского летчика, который во время войны оказался на территории СССР и был спасен русской учительницей в исполнении Макаровой.
В небольшой фильмографии режиссера поместился целый букет жанров: сельская драма «Евдокия», музыкальная комедия «Карнавал», политический памфлет «Конец света с последующим симпозиумом», героические «Им покоряется небо» о летчиках-испытателях реактивных самолетов и драма «Рано утром».
За всю свою карьеру Лиознова сняла всего 9 фильмов, (как минимум) несколько из которых стали народным достоянием.
Одна из ее главных работ — картина «Три тополя на Плющихе» — в прошлом году отметила полувековой юбилей. Незатейливая история о приехавшей в Москву провинциалке и ее неожиданной встрече с таксистом покорила зрителей, и в первый год ленту посмотрели 26 миллионов зрителей. Благодаря ролям в этом фильме экранная пара Олега Ефремова и Татьяны Дорониной стала одной из самых знаменитых в советском кино.
Картина получила массу положительных рецензий и стала обладателем премии Международного католического бюро по кинематографии МКФ в Мар-дель-Плата-68, а Доронина получила награду за лучшую женскую роль Всесоюзного кинофестиваля 1970 года в Минске.
Следующий главный хит Лиозновой вышел почти 46 лет назад — 11 августа 1973 года советские зрители увидел первый эпизод 12-серийного фильма «Семнадцать мгновений весны». Картина о советском разведчике Штирлице сразу же стала настолько популярна в стране, что ее повторный показ состоялся через три месяца после премьеры. Лиознова рассказывала, что после выхода первой серии получила 12 мешков писем от благодарных зрителей.
Эта работа завоевала Государственную премию РСФСР имени братьев Васильевых, а сама Лиознова получила звание народной артистки республики и орден Октябрьской революции. В 1984 году она стала народной артисткой СССР — после выхода фильмов «Мы, нижеподписавшиеся» и «Карнавал».
В 2011-м Лиознова рассказывала в интервью «Комсомольской правде», что ни разу не была замужем из-за необходимости ухаживать за больной матерью.
«Папа на войне погиб, а мама больше замуж не вышла. Как только выдавалась свободная минутка, я мчалась позвонить, как там она. И вот я только сейчас понимаю, как ей было тяжело, когда она оставалась одна: я на работе целый день. Хорошо, что она дожила до того момента, когда картина «Семнадцать мгновений весны» вышла на экран. Она ее посмотрела и как будто поздоровела, помолодела», — поделилась режиссер.
Из-за сильного характера ее называли «бой-бабой», «железной леди» и «ежиком». Цветную версию «Семнадцати мгновений весны», вышедшую в 2009 году, Лиознова приняла не сразу. Позже она смирилась и даже говорила, что при просмотре картины в цвете вспоминает события на съемочной площадке.
В начале 2000-х в одном из интервью режиссер пожаловалась, что журналистов в ее творчестве интересуют только подробности съемок знаменитого сериала и «Трех тополей».
«Я не так уж много сняла. Но мне не стыдно ни за одну работу, и я их все люблю. «Карнавал» — фильм про обычную девчонку, которая идет к цели, пробивая стены собственным лбом. Я знаю, что это такое. У меня все фильмы так или иначе про себя», — говорила Лиознова.
По ее словам, в плане организации съемок «Карнавал» является не менее сложной картиной, чем многосерийные «Семнадцать мгновений весны». Это был один из первых советских мюзиклов, для подготовки которого режиссеру пришлось отсматривать множество танцевальных групп и ездить в поисках талантов по всей стране.
В последние годы жизни Лиознова сильно болела и скончалась 29 сентября 2011 года в возрасте 87 лет. Урна с прахом великого режиссера похоронена на Донском кладбище Москвы.