Гимнастиком је озбиљније почела да се бави после селидбе у Кијев и са 19 година дебитовала је на међународној сцени, на Светском првенству у Риму, освојивши одмах златну медаљу, у екипној конкуренцији.
Две године касније дебитовала је на Олимпијским игра, одржаним у Мелбурну, покупивши 6 медаља, од тога 4 златне, у вишебоју, прескоку, партеру и екипној конкуренцији (освојила и 1 сребро, на двовисинском разбоју и 1 бронзу, у екипној конкуренцији на покретној справи).
Такмичење гимнастичарки у Мелбурну остаће упамћено и по драматичном дуелу Латинине и 13 година старије Агнеш Келети из Мађарске у тренутку када су совјетски тенкови ушли у Будимпешту. Келетијева је на Игре у Мелбурну дошла као фаворит, изједначила је учинак Латинине са 4 златне медаље, али је остала иза главне ривалке у вишебоју.
На Светском првенству 1958. године, Латинина је задивила свет, када је наступила током трудноће и победила у 5 од 6 дисциплина.
Успех из Мелбурна, са 6 освојених медаља поновила је и на Играма у Риму, 1960. године, односно 4 године касније у Токију. У Риму је освојила 3 злата, у вишебоју, екипној конкуренцији и партеру (као и 2 сребра - двовисински разбој, греда и 1 бронзу – прескок), а у Токију два злата, у партеру, где је била недодирљива, односно као предводница неприкосновеног тима СССР (плус 2 сребра – вишебој и прескок, односно 2 бронзе – двовисински разбој и греда).
У Токију је међутим, изгубила титулу у вишебоју, после неуспеха у дуелу са Вером Чаславском из Чехословачке.
После Светског првенства 1966. завршила је каријеру. Од 1967. до 1977. била је тренер тима СССР, да би 1980. била изабрана за главног организатора такмичења у гимастици на Олимпијским играма у Москви.
1989. је одликована од стране Међународног олимпијског комитета, а 1998. увршћена је у Кућу славних. После распада Совјетског савеза узела је руско држављанство и тренутно живи у Подмосковљу.
Б92