Gyarmathy Lívia Budapesten született 1932. január 8-án. Az orvosi egyetemre nem vették fel, ezután járt a műegyetemre, a bölcsészkarra, majd a gépészkarra, végül vegyészmérnökként végzett. A kispesti textilgyárban dolgozott, amikor 1960-ban egy újsághirdetés nyomán jelentkezett Herskó János kísérleti filmrendezői osztályába a Színművészeti Főiskolára.
A filmezés azért érdekelte, mert imádta a képet, a történeteket, és lenyűgözte a film világa. Diplomamunkája, az 58 másodperc című fekete-fehér dokumentumfilm egy sportolót mutatott be, aki alulmarad a versenyben.
Végzése után a Mafilm állományába került. Első dokumentumfilmje, az állami gondozott gyerekekről szóló Üzenet a miskolci fesztiválon, az ezt követő Tisztelt cím! Krakkóban nyert díjat. Filmjeit ekkoriban a cseh új hullámhoz hasonlították, ő maga Jacques Tatit és Michelangelo Antonionit tartotta példaképének.
Időszerű közéleti gondokat feszegetett a hetvenes években forgatott Magányosok klubja és a Minden szerdán című filmje (utóbbiban Jirí Menzel Oscar-díjas rendező is látható volt). A kamaszok „ragasztózásáról” szóló Kilencedik emelet (1977), amelyet ő maga a legkeményebb filmjének tart, elnyerte az oberhauseni filmfesztivál nagydíját. A cigány témájú Koportos című filmet egy csángó fiú és egy német lány vegyes házasságának témáját középpontba állító Együttélés követte, az Egy kicsit én, egy kicsit te című vígjátéka a több nemzedék együttélésének problémájáról, A csalás gyönyöre pedig az érzelmi elbizonytalanodásról szól (ennek zenéjét az olasz Ennio Morricone komponálta).
A mi gólyánk című, 1998-ban készült félórás, „néma” dokumentumfilmje a Somogy megyei Mesztegnyőn télre ottrekedt gólya és a falusiak között kialakuló különleges kapcsolatról, a mitologikus jelentést hordozó madár és a megmentésére szövetkező emberek viszonyáról szól. A mű számos nemzetközi elismerést nyert: megkapta az Európai Filmakadémia legjobb európai rövidfilmnek járó díját és a 3. Los Angeles-i Magyar Dokumentumfilm-fesztivál 2012-ben első ízben odaítélt Best Choice-díját is.
Ezt követte a csongrádi Pitvaros községben csaknem egy évig forgatott, dialógust szintén alig tartalmazó több díjat nyert Táncrend. A több díjat nyert, szívmelengető film azt mutatja be, miként találják meg a legkülönbözőbb munkát végző és eltérő családi hátterű emberek a hétköznapokat megszépítő órákat, amikor tánctanárt fogadnak.
2008-ban Kishalak... Nagyhalak címmel az orvhalászokról forgatott dokumentumfilmet egy régi élménye alapján. A tér című, 2013-ban készült dokumentumfilmje - amely a Budapest XII. kerületében épült Turul-szobor fogadtatását, politikai hullámveréseit és a tér életét követi nyomon - azt mutatja be, miként tör be a politika egy civil lakás ablakán keresztül.
Férjével, Böszörményi Gézával együtt több forgatókönyvet írt, első közös sikerük az Ismeri a szandi-mandit? című játékfilm volt 1969-ben. 1988-ban közösen rendezték a Böszörményi Géza internálásának körülményeit megidéző Recsk 1950-1953, Egy titkos kényszermunkatábor története című politikai dokumentumfilmet.
Az alkotás elnyerte az év legjobb európai dokumentumfilmjének járó Félix-díjat, a témából 1996-ban Szökés címmel (főszerepben a lengyel Daniel Olbrychskivel) játékfilmet is forgattak. Közösen készítették 1988-ban a Faludy György, költő című portréfilmet, majd 1991-ben a ...hol zsarnokság van... című dokumentumfilmet Sárközy Endréről, az ötvenes években halálos ítéletek sorát hozó bíróról. Ez a filmjük 21 évig állt a dobozban, mert a bíró a filmszemlés bemutató után visszavonta korábbi hozzájárulását a vetítéshez.
Gyarmathy Lívia és Böszörményi Géza együtt kaptak Kossuth-díjat 2000-ben, és együtt lettek a magyar mozgókép mesterei 2004-ben. A családi hagyományt folytatta lányuk, a 2021-ben elhunyt Böszörményi Zsuzsa Balázs Béla-díjas rendező, aki 1991-ben az Egyszer volt, hol nem volt... című filmjével elnyerte a legjobb külföldi filmnek járó diák Oscar-díjat.
Gyarmathy Líviát 1978-ban Balázs Béla-díjjal tüntették ki, 1987-ben érdemes művész, 1990-ben kiváló művész lett, 2001-ben Millenniumi-díjjal és Magyar Örökség díjjal ismerték el igazságfeltáró művészetét. 2008-ban megkapta a magyar filmkritikusok és a Miskolci Nemzetközi Filmfesztivál, a CineFest, 2015-ben a Budapest International Documentary Festival (BIDF) életműdíját.
Az Európai Filmakadémia tagjainak sorába is beválasztott alkotó, akinek minden munkája mély empátiáról és emberismeretről tanúskodik, egy nyilatkozata szerint az olyan filmeket szereti, amelyek képesek arra, hogy „az ember humánumát fejlesszék, érzelmeket keltsenek”. Azt vallotta: meg kell találni a témát, és úgy kell megvalósítani, hogy elvarázsolja a nézőt.
