Fille de la photographe Denise Bellon et du magistrat Jacques Bellon, Loleh Bellon est née en 1925 à Bayonne. Elle commence sa formation théâtrale en suivant les cours de Julien Bertheau, Charles Dullin et Tania Balachova. Elle débute en 1945 au Théâtre de l’Atelier d’André Barsacq en étant la doublure de Suzanne Flon dans Virages dangereux de John Boynton Priestley. En 1947, Charles Dullin lui offre deux rôles dans ses mises en scène d’An mil de Jules Romains et d’Archipel Lenoir d’Armand Salacrou. En 1949, elle reçoit le Prix des Jeunes comédiens pour sa prestation dans Place de l’Étoile de Robert Desnos. Dès ses débuts, elle joue également au cinéma : en 1949, elle se fait remarquer par sa prestation dans Le Point du jour de Louis Daquin. Dès lors, elle accumule les rôles, au théâtre comme au cinéma. Au cours de sa carrière, elle travaille régulièrement sous la direction de metteurs en scène illustres tels que Peter Brook (Le Balcon de Jean Genet en 1960), Jean-Louis Barrault (elle interprète le rôle titre dans Judith de Jean Giraudoux en 1961) ou encore Roger Planchon (Le Cid de Corneille en 1969). Elle tourne régulièrement dans de nombreux films, dont certains sont réalisés par sa sœur aînée Yannick Bellon, comme Quelque part quelqu’un (1972) et Jamais plus toujours (1975).
Épouse successive de l’écrivain et homme politique espagnol Jorge Semprun, puis du journaliste et écrivain Claude Roy, Loleh Bellon a baigné toute sa vie dans l’univers de l’écriture. Elle commence à écrire à l’âge de 50 ans : en 1976, sa première pièce, Les Dames du jeudi, est créée au Studio des Champs-Élysées par Yves Bureau. Suzanne Flon, devenue une intime, interprète l’un de ses trois rôles. La pièce reçoit en 1977 le Prix Ibsen. En 1978, Loleh Bellon est récompensée par le Prix U pour sa seconde pièce, Changement à vue. Elle consacrera la seconde moitié de sa carrière à l’écriture de pièces de théâtre : Le Cœur sur la main (1980), De si tendres liens (1984), L’Éloignement (1987), Une absence (1988), L’Une et l’Autre (1992), La Chambre d’amis (1995). Loleh Bellon sera très rapidement reconnue comme un auteur dramatique de talent, avant de s’éteindre en 1999.