Родилась 24 марта 1907 года в Санкт-Петербурге в семье Корнея Чуковского и Марии Борисовны Гольдфельд. В 1912-1917 годах семья жила в Куоккале, дачной местности в Финляндии. Гостями в их доме бывали Репин, Шаляпин, Маяковский, Николай Евреинов, Леонид Андреев, Владимир Короленко.

После Февральской революции семья вернулась в Петербург. Чуковская училась в частной женской гимназии Таганцевой, затем в 15-й единой трудовой школе (бывшее мужское Тенишевское училище). В 1924 году поступила на словесное отделение государственных курсов при Институте истории искусств и одновременно – на курсы стенографии. Благодаря тому, что её отец занимал важные посты в области культуры, виделась с Блоком, Гумилёвым, Ахматовой, Мандельштамом, Ходасевичем, Тыняновым, Горьким и "серапионовыми братьями".

Арестована по обвинению в составлении антисоветской листовки в июле 1926 года. Чуковская была сослана в Саратов, где благодаря хлопотам отца провела только одиннадцать месяцев из тридцати шести. Во время ссылки, по собственным воспоминаниям, заняла принципиальную позицию в конфликте с властями: отказалась от публичного покаяния, держалась вместе с политическими ссыльными.

В 1928 году стала редактором в Ленинградском отделе Детиздата, которое возглавлял Самуил Маршак. В 1937 году редакция была разгромлена и прекратила своё существование. Некоторые сотрудники, в том числе Чуковская, были уволены, другие – арестованы.

В 1929 году вышла замуж за историка литературы Цезаря Самойловича Вольпе, в 1931 году родила дочь Елену. В 1933 году рассталась с Вольпе (он погиб в 1941 году при эвакуации из осаждённого Ленинграда по "Дороге жизни") и через некоторое время после этого вышла замуж за физика-теоретика и популяризатора науки Матвея Петровича Бронштейна. Он был арестован в августе 1937 года и расстрелян в феврале 1938-го на территории расстрельного полигона Левашовская пустошь (по объявленному семье приговору – "десять лет без права переписки", Корней Чуковский, посвятивший много времени выяснению судьбы зятя, узнал о его расстреле лишь в конце 1939 года). Чуковская избежала ареста, выехав на территорию Украины (хотя соответствующие документы были оформлены). Судьбе М. П. Бронштейна посвящена автобиографическая повесть Чуковской "Прочерк".

Начало Великой Отечественной войны застала в Москве после операции, затем была вместе с дочерью и племянником эвакуирована в Чистополь, оттуда переехала в Ташкент, где прожила до 1943 года. Затем вернулась в Москву, где в 1940-1950-е годы занималась редакционной работой.

В 1960-е годы выступала в поддержку Бродского, Солженицына, Синявского и Даниэля, Гинзбурга, Мустафы Джемилева и других. Написала множество открытых обличительных писем: Михаилу Шолохову в связи с его речью на XXIII съезде КПСС (1966), а также "Не казнь, но мысль. Но слово", "Гнев народа", "Прорыв немоты".

В январе 1974 года была исключена из Союза писателей (это решение было отменено в феврале 1989 года), на её публикации в СССР был наложен полный запрет (до 1987 года). Этим событиям посвящена книга Лидии Чуковской "Процесс исключения. Очерк литературных нравов".

Наиболее значимыми произведениями Чуковской принято считать повести "Софья Петровна" (1939-1940, опубликована за рубежом в 1965 году под названием "Опустелый дом", в СССР – в 1988 году) и "Спуск под воду" (опубликована за рубежом в 1972 году), а также мемуары "Записки об Анне Ахматовой".

Скончалась у себя дома при невыясненных обстоятельствах в ночь с 7 на 8 февраля 1996 года.