В 1975 году 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.

В 1980 году окончила Высшее театральное училище имени Б. В. Щукина в Москве (курс Аллы Казанской). По окончании училища была принята в труппу Московского академического театра имени Владимира Маяковского (1980—1994).

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 двадцати художественных фильмах. После этого, в связи с экономическим спадом в стране и переходом от плановой экономики к рыночной, российский кинематограф начал испытывать большие трудности, кинопроизводство практически остановилось, вследствие чего большинство актёров оказались не востребованы. В стране началась безработица. Для Людмилы не было перспектив ни в театре, ни в кино, они с мужем оба остались без работы. Муж, Георгий Исаев, предложил переехать в США, где пообещал устроить свой собственный бизнес на средства, вырученные от продажи двухкомнатной квартиры Людмилы в Москве, и обеспечить благополучие всей семьи. Людмила хорошо осознавала, что как актриса в Америке никому не будет нужна. Но муж возлагал на эту страну большие надежды. В результате, в 1994 году Людмила Нильская вместе с мужем и трёхгодовалым сыном эмигрировала в США. Георгий открыл в Калифорнии автомастерскую, но его бизнес быстро прогорел. Людмиле пришлось искать работу. Там она трудилась и продавцом в магазине одежды, и уборщицей, и водителем при социальной службе, тестировала компьютерные программы.

В 2001 году, после того, как муж объявил Людмиле, что у него давно есть другая женщина и ушёл из семьи, она осталась одна с десятилетним сыном в чужой стране, где нет ни родных, ни друзей, без денежных накоплений и с неустроенным бытом.
Летом 2003 года Людмила Нильская вместе с сыном Дмитрием вернулась в Москву, поселившись на съёмной квартире. Уже осенью, при поддержке друзей, вернулась в профессию. Стала работать в Театре Луны под руководством Сергея Проханова, играть в антрепризных спектаклях, сниматься в телесериалах.

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.

В 2008 году Людмила Нильская сыграла главную роль в многосерийном биографическом телевизионном художественном фильме «Галина» режиссёра Виталия Павлова, где снова создала образ дочери генерального секретаря ЦК КПСС Леонида Ильича Брежнева. В 2009 году за исполнение этой роли актриса удостоена российской кинопремии «Золотой орёл» в номинации «Лучшая женская роль на телевидении».

С 2008 года — актриса Государственного театра киноактёра в Москве.