Née le 10 octobre 1924, à Paris, fille d'un prince russe mathématicien et d'une Française, Monika Tchemerzine, dite Ludmila Tcherina, est formée à la danse classique par des professeurs de renom comme Georges Ricaux, qui fut aussi le maître de Jean Babilée et de Roland Petit. Sur scène dès l'âge de 15 ans, elle affirme un vif tempérament en interprétant aux Ballets de Monte-Carlo tous les rôles du répertoire classique. Puis, en 1942, à Paris, elle crée Juliette dans Juliette et Roméo, chorégraphié par Serge Lifar.

À partir de la fin de la seconde guerre mondiale, Ludmila Tcherina mène une carrière indépendante dans différentes compagnies et tourne sur les scènes internationales les plus prestigieuses, du Bolchoï de Moscou à la Scala de Milan. En 1957, elle est danseuse, mime et tragédienne dans Le Martyre de saint Sébastien, créé à l'Opéra de Paris. En 1962, elle interprète Gala, de Salvador Dali et Roland Petit. Dix ans plus tard, elle danse Salomé avec Maurice Béjart : une prestation sur laquelle le chorégraphe ne tarit pas d'éloges. "Une force intérieure cachée qui ne laisse entrevoir que la souplesse de la chair dans ce qu'elle a de plus félin, de plus pervers aussi et qui, pourtant, au centre même du mouvement, devient d'une impassibilité de marbre", disait Béjart lors de la création.

Au cinéma, Ludmila Tcherina séduit des réalisateurs comme Michael Powell, qui la fait tourner dans Les Chaussons rouges (1947), ballet-polar fantastique réglé pour la chorégraphie par Léonid Massine. Elle joue au côté de Louis Jouvet dans Un Revenant et inspire même à Jean Renoir son seul ballet, Le Feu aux poudres. C'est elle qui porta Les Amants de Teruel (1959) de la scène à l'écran.

En 1950, après la mort accidentelle d'Edmond Audran, son mari et partenaire, Ludmila Tcherina trouve refuge dans la peinture et la sculpture, qu'elle ne cessera de pratiquer, avec le soutien d'André Malraux. Pour l'inauguration du tunnel sous la Manche, en 1994, elle a conçu une œuvre monumentale, en hommage à la création et à la construction de l'Europe.
Deux romans parus chez Albin-Michel, L'Amour au miroir (1980) et La Femme à l'envers (1986), rendent compte de la traversée humaine et artistique de cette femme qui aimait à définir "toute œuvre comme un mouvement lancé à la recherche des proportions de l'éternité".