Родилась 12 января 1967 году в Москве, в семье с татарскими корнями. Родители будущей актрисы работали врачами. Отец ушел из семьи, когда дочери исполнился год.
С детства Рената проводила много времени с матерью в кино и со временем унаследовала привычку смотреть много фильмов постоянно. Подростком она начала сочинять прозу. Одновременно Литвинова занималась легкой атлетикой. Среди одноклассников девушка выделялась отрешенностью, любовью к уединению и литературе. Взрослой она вспоминала школьные годы как «худшие в жизни» и говорила о травмах, которые ей нанесло невнимание учителей. В девятом классе Литвинова снялась для рекламного каталога драгоценностей. Она собиралась стать манекенщицей, но в выпускном классе решила поступать во ВГИК, на сценарный факультет. При поступлении ее «странные» рассказы одобрил Евгений Габрилович, и Литвинову зачислили в институт в 1984 году. Она вспоминала, что позднее педагоги относились к ее сценариям скорее скептически, и даже обвиняли в недостаточном владении русским языком. Это коснулось и дипломного сценария Литвиновой «Принципиальный и жалостливый взгляд Али К.», который пришлось переписывать трижды. Именно этот сценарий тогда попался на глаза Кире Муратовой, которая загорелась идеей сделать фильм по произведению дебютантки.
В студенческие годы преподаватели отмечали, что характерные речевые конструкции писательницы звучали естественно прежде всего в ее собственном исполнении, но в юности Литвинова сторонилась актерской карьеры, хотя сыграла в 1989 году в эпизоде фильма Аллы Суриковой «Две стрелы. Детектив каменного века».
Сценариста-Литвинову заметил режиссер Сергей Соловьев, в его объединении «Круг» она проходила стажировку в конце 1980-х годов. Соловьев запустил в производство сценарий «Нелюбовь» в постановке Валерия Рубинчика. Фильм, вышедший в 1991 году, был отмечен критикой как одно из первых знаковых произведений независимого постсоветского кино. «В разрыве российского кино с реальностью, случившемся в 90-е и до сих пор не изжитом, немало от Литвиновой, от воплощенного в ней многоликого соблазна. Дело тут только в магии несомненной талантливости строительницы мертвых миров — Рената проявила полководческую гениальность в созидании собственного культа», — вспоминала об эффекте картины спустя годы Наталья Басина.
В 1990 году Литвинова участвует в написании сценария фильма Олега Морозова и Андреаса Шмидта «Ленинград. Ноябрь», а после «Нелюбви» работает с идеологами «параллельного кино» братьями Алейниковыми над абсурдистской комедией «Трактористы-2». Эти фильмы не получили широкого признания, но сама Литвинова была замечена и вскоре органично вошла в столичную «богему» 1990-х годов.
Литвинова познакомилась с Кирой Муратовой в 1994 году, и режиссер предложила ей попробовать сыграть в кино. Когда на пробах к фильму «Увлеченья» образ Литвиновой «не ложился» на роль, та уговорила Муратову дать ей самой написать монологи своей героини. Так появился образ мечтательной медсестры, которая рассказывает сюрреалистические истории из собственной жизни. Следующую роль у Муратовой, Офу из больничного архива, которая убивает женщин, отказывающихся от детей, Литвинова изначально писала сама.
«Литвинова — образец самодостаточности. Она представляет себя — так же, как Марлен Дитрих. Ничего другого она не представляет. Ничего! Никакой тусовки, никакого поколения. Она есть она, и за это я ее и люблю. Потому что она уникальна. Ее внешние и внутренние данные, ее природное естество являют собой нечто особое, чего нельзя приноровить ни к чему», — говорила Муратова об открытой ею актрисе.
«Я вообще не воспринимаю себя как актрису, но полностью совпадаю со своим текстом», — замечала позднее Литвинова.
Между работами сценариста с Муратовой, Александр Сухочев ставит фильм «Принципиальный и жалостливый взгляд» по первому сценарию Литвиновой, который три года находился в производстве и стал единственной лентой «Ленфильма» в 1996 году. «Из фильма ушла... интонация драматургического первоисточника — фирменный стиль Ренаты Литвиновой, настоенный на богемной имиджелогии и коммунальных страстях, искреннем бескультурье и артистично сымитированной пошлости», — отмечал Сергей Добротворский. Сама Литвинова сдержанно отозвалась о фильме, как и о других немуратовских экранизациях своих работ, включая «Нелюбовь». Также она не оценила экранизации своих повестей — «Мужские откровения» Юрия Грымова по книге «Третий путь» и «Страну глухих» Валерия Тодоровского по повести «Обладать и принадлежать», сценарии к которым были написаны без ее участия.
«Рената недовольна тем, что поставили по ее вещам. Ну и правильно... Я ей давно говорил: ты всегда будешь недовольна, потому что то, что ты пишешь, должна ставить сама», — отмечал наставник Литвиновой Соловьев. Режиссерский дебют Литвиновой состоялся в 2000 году, когда вышел ее документальный фильм «Нет смерти для меня» — о пяти выдающихся советских актрисах. Режиссер взяла себе роль «невменяемой» конферансье, представлявшей Нонну Мордюкову, Татьяну Самойлову, Веру Васильеву, Лидию Смирнову и Татьяну Окуневскую, которые рассказывают о своей жизни и взглядах на искусство. Для Мордюковой, которую Литвинова потом называла одним из своих кумиров и учителей, роль оказалась последней.
Тогда же, в 2000 году, Литвинова обрела всероссийскую известность как актриса, снявшись в сериале Александра Митты «Граница. Таежный роман». Фильм оказался одним из самых популярных в своем жанре, в числе других артистов Литвинова получает за него Государственную премию. С тех пор Литвинова появляется на экране регулярно, хотя отмечает, что никогда не играет в неинтересных ей работах, «ни в одном блокбастере», ограничиваясь независимым кино. Среди ее основных работ начала 2000-х годов — Лина в «Настройщике» Киры Муратовой, Настасья в «Апреле» Константина Мурзенко, дуэт с Вячеславом Тихоновым в шпионской драме «Берлинский экспресс». Также она работает с Питером Гринуэем, но эпизод с ее участием в итоге не вошел в третью часть «Чемоданов Тульса Люпера».
В 2000-х годах Литвинова становится узнаваемой на телевидении — ее нарочитый ретро-стиль, характерная пластика и интонации оказываются предметом подражаний и пародий. В 2002 году Литвинова пишет сценарий фильма «Небо. Самолет. Девушка» по пьесе Эдварда Радзинского. Пьеса уже была экранизирована в 1968 году под названием «Еще раз про любовь», и свою работу Литвинова посвятила Татьяне Дорониной, игравшей в том фильме. Текст сценарист назвала «одной из главных советских пьес про женщину» и говорила о стремлении убрать из картины «мужские проявления». Режиссером «Небо. Самолет. Девушка» была Вера Сторожевая, также некогда снимавшаяся у Муратовой.
Два года спустя, в 2004, Литвинова, наконец, снимает фильм по своему сценарию. Лента «Богиня: как я полюбила» вызвала одобрение критики, хотя Литвинову и упрекали за сумбурность истории и стремление полностью подчинить производство фильма себе, в том числе — вновь сыграть главную роль. «В фильме нет практически ни единого эпизода, где не царил бы полновластно, в экстазе рационального безумия смешивая бытовое и мистическое, настоящий фантастический гротеск — самой высшей, гофмановско-мейерхольдовской пробы», — отмечала Лилия Шитенбург. Роман Волобуев назвал дебют Литвиновой в игровом кино «самым дурно снятым и плохо смонтированным шедевром».
После выхода фильма была издана книга Алексея Васильева «Богиня. Разговоры с Ренатой Литвиновой», куда, кроме интервью, вошли фрагменты прозы сценариста. В 2007 году выпущена книга «Обладать и принадлежать» с новеллами Литвиновой.
В саундтреке «Богини» важное место занимает песня Земфиры, с этого фильма началось тесное сотрудничество режиссера и певицы. В 2005-2013 году Литвинова снимает для Земфиры восемь клипов. До этого у нее также был небольшой опыт режиссуры музыкальных видео, в том числе для Аллы Пугачевой и «Агаты Кристи». Но в 2007 году Литвинова превращает съемки концерта в Зеленом театре московского парка Горького в создание полнометражного музыкального фильма. Лента, в которую кроме песен вошли монологи певицы и архивные кадры, вышла в начале 2008 года под названием «Зеленый театр в Земфире».
Литвинова продолжает играть и писать для других режиссеров. Она работает с Рустамом Хамдамовым над экспериментальным фильмом-концертом «Вокальные параллели», где актриса оказывается конферансье на оперной сцене. «Дуэта Хамдамов — Литвинова ждали очень давно: самый искусственный и утонченный из отечественных режиссеров никак не мог избежать встречи с актрисой, сделавшей искусственность своим знаком», — отмечал Михаил Трофименков. После эпизода в «Жмурках» Алексея Балабанова в 2005 году, в 2007 она снимается у него в фильме «Мне не больно» в главной роли. В том же году она вновь пишет сценарий для новеллы в фильме Муратовой «Два в одном» и играет Алису, работницу трамвайного депо. Наконец, в 2007 году она пишет сценарий и играет в фильме «Жестокость» Марины Любаковой.
Среди следующих работ Литвиновой отмечают новую роль у Муратовой в «Мелодии для шарманки», у Хамдамова в короткометражке «Бриллианты. Воровство», в экранизации романа Пелевина «Generation П» Виктора Гинзбурга, в картине «Сердца бумеранг» Николая Хомерики. В 2010 году режиссер снимает второй фильм-концерт Земфиры «Крокус/Стрелка».
С 2004 года Литвинова играет на сцене МХТ имени Чехова, в спектаклях «Вишневый сад», «Шага», «Свидетель обвинения».
В 2012 году она сыграла в «Вечном возвращении» — фильме, который Муратова объявила своей последней работой, а также, среди других русских артистов, в драме Йоса Стеллинга «Девушка и смерть», вдохновленной русской классической литературой.
Второй художественный фильм Литвиновой вышел в 2012 году. «Последняя сказка Риты» — режиссерская работа Литвиновой по собственному сценарию. Автором музыки и сопродюсером выступила Земфира. Режиссер говорила, что избавилась этой работой от одержимости темой смерти и данной конкретной историей — замысел фильма родился еще во время учебы во ВГИКе. Литвинова играет ангела смерти, которая в обличии медсестры в больницы готовит к переходу в иной мир умирающую пациентку. Как и в случае «Богини», критики писали о любви к фильму «сырому, снимавшемуся на свои деньги, без посторонних продюсеров, без графика, со сменой пяти операторов-студентов ВГИКа, и согретому за счет идеально выстроенных композиций такими щедрыми и в то же время законченными цветовыми решениями каждого кадра, что ни один из наших нынешних авторитетов операторского искусства не добился... подобной цельности изобразительного материала» (Алексей Васильев).
С 2011 года Литвинова регулярно снимает короткометражные фильмы: «Внимательно смотрите сны», «Письмо Сальмы», «Уходящая». В фильмах «Случай в Мадриде с госпожой К.» и «Снах Иосифа» (для альманаха «Петербург. Только по любви») на экране появляется ее дочь, Ульяна Добровская. Литвинова неизменно играет свои главные роли сама, и другие главные персонажи ее фильмов — неизменно женщины.
Андрей Гореликов