Лина Вертмюллер родилась 14 августа 1926 года в Риме в аристократической швейцарской семье. В 1951 году окончила Римскую театральную Академию под руководством Пьетро Шарова, работала ассистентом режиссёра в музыкальном и драматическом театрах. После знакомства с Федерико Феллини стала помощником режиссёра в фильмах «Сладкая жизнь» и «Восемь с половиной». В 1963 году сняла свой первый полнометражный фильм «Василиски». В этот период она знакомится с актёром Джанкарло Джаннини, впоследствии сыгравшим в лучших её лентах. Затем Вертмюллер сняла ещё три фильма — «На этот раз поговорим о мужчинах» (1965), комедию «Рита-надоеда» (1966) и телевестерн «История Белл Старр» (1967) под псевдонимом Джордж Браун. После этого Вертмюллер возвращается театр. Она выходит замуж за Энрико Джоба, который становится художником-декоратором в её фильмах.
В 1972 году её комедия «Мими-металлист, жертва собственной чести» получила номинацию на премию Каннского кинофестиваля. В этом и последующих её фильмах сыграл Джанкарло Джаннини, который обрёл международную известность. В 1970-х годах выходят комедии с социально-политическим подтекстом «Любовь и анархия» (1973), «Все на месте и все в беспорядке» (1974), «Паскуалино „Семь красоток“» (1975), став первой женщиной-номинантом на премию «Оскар» за лучшую режиссуру.
В 1978 году Вертмюллер сняла фильм в Голливуде — «Конец мира в нашей кровати в дождливую ночь», оказавшийся коммерчески неудачным. Последующие фильмы с эротическими сюжетами не повторили успех ранних работ Вертмюллер.
Лина Вертмюллер выступает в качестве театрального драматурга и соавтора сценариев фильмов других режиссёров, была постановщиком оперы «Кармен» в театре Сан Карло в Неаполе.