Hija de inmigrantes españoles, sus primeros pasos sobre los escenarios los dio actuando como tonadillera, y debutó en Madrid en 1904, en el Teatro Apolo. Logra el éxito en América con obras de José Padilla.
Gracias al enorme éxito cosechado, pudo comenzar a interpretar papeles dramáticos y cómicos de obras de los más variados autores, con las que realizó giras triunfales por España e Hispanoamérica.
Algunos de los más destacados dramaturgos de la primera mitad del siglo XX, escribieron para ella papeles como los Madreselva y Ventolera (1944) (Hermanos Álvarez Quintero), Las adelfas en 1928 y La Lola se va a los puertos en 1929 (Antonio y Manuel Machado) o Pepa Doncel (1928) (Jacinto Benavente). De este último también interpretó, durante varias temporadas Señora Ama y La noche del sábado y estrenó La infanzona en Buenos Aires en 1945.
Su trayectoria abarca también obras de Calderón de la Barca, Lope de Vega, José Zorrilla (Don Juan Tenorio), Pedro Muñoz Seca, Alfonso Paso, Alejandro Casona, Enrique Jardiel Poncela, Eduardo Marquina, José María Pemán, Luigi Pirandello (La vida que te di), Oscar Wilde (El abanico de Lady Windermere) y Eugene O'Neill (Anna Christie).
Igualmente, fue una de las más importantes intérpretes, junto a María Tereza Montoya y Margarita Xirgu, del teatro de Federico García Lorca, al que conoció en 1931 y con quien realizó una gira por Hispanoamérica. Representó Bodas de sangre en 1933 y dos años después La zapatera prodigiosa, que había estrenado la Xirgu.
Desde 1943 fue administradora del Teatro Cómico, en la Avenida Corrientes, donde también realizó los estrenos de sus obras durante las siguientes décadas. El Teatro Cómico posteriormente fue renombrado "Lola Membrives"
Recibió la Medalla de la Nación "Al mérito artístico", entregada por el Presidente Juan Domingo Perón en 1954. Al igual que muchas figuras artísticas del campo teatral, como Fanny Navarro, Malisa Zini, Pierina Dealessi, Enrique Santos Discépolo, Enrique Muiño, Lola Membrives, con una extensa trayectoria previa, adhirieron fervorosamente al peronismo, por lo que sería censurada durante la dictadura llamada Revolución Libertadora.
Su última función la representó en el Teatro Odeón de Buenos Aires en las obras Los verdes campos del Edén, de Antonio Gala. Falleció en la ciudad de Buenos Aires, el 31 de octubre de 1969.
Cruz de Isabel la Católica, de España; Placa con Encomienda de la Orden de Alfonso el Sabio, de España; Medalla otorgada por el presidente Álvaro Obregón, de México; y Medalla de Oro del Ministerio de Instrucción Pública de Valladolid (España).
En Madrid, llevan su nombre la sala del Teatro Lara y una calle. En Argentina, un teatro de la tradicional Calle Corrientes lleva su nombre, al igual que en municipio bonaerense de San Isidro, paralelo al ferrocarril de La Costa, frente al Río de la Plata.