Anyai ágon francia származású, felmenői között volt kántortanító és fazekasmester is, apja porcelángyári művezető volt. 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 Koportost az 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).

Gyarmathy Lívia (MTI Fotó/Friedmann Endre)

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 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.

Ismeri a Szandi mandit? plakát (NFI/Vajda Lajos)

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.

Recsk 1950–1953 – Egy titkos kényszermunkatábor története (NFI/Szabó Róbert)

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. Együtt hozták létre a BGB filmprodukciós céget, amelyben Böszörményi Zsuzsa producerként is dolgozott olyan filmekben, mint a Szökés, A mi gólyánk vagy a Táncrend.

Gyarmathy Lívia 2014-ben (MTVA Fotó: Zih Zsolt)

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.

Arra a kérdésre, hogy játék- vagy dokumentumfilmesnek tartja-e magát, egy nyilatkozatában azt válaszolta: "egyiknek sem, egyszerűen filmesnek. Mindkettőnek helye van az életemben, a munkámban, de mindkettő mást-mást jelent."