Filla de l’artista Patricia Bueno Risso i de l’enginyer Alejandro Llosa i neboda de l’escriptor Mario Vargas Llosa, es graduà en direcció de cinema a la Universitat de Lima i prosseguí els seus estudis a Nova York, Sundance i Madrid. El 2003 obtingé un premi del Festival de l’Havana pel guió de Madeinusa, que encara no havia rodat, i gràcies a això se li concedí una beca de la Fundación Carolina i Casa de América. Rodà Madeinusa (2006) al seu país, amb producció del català Antonio Chavarrías, que també li produí el seu segon llargmetratge, en el qual tornava a reflectir els problemes de la població indígena peruana: La teta asustada (2009). Aquest film obtingué l’Os d’Or al Festival de Berlín i fou nominat a l’Oscar a la millor pel·lícula de parla no anglesa. Tornà a guanyar l’Os d’Or en la categoria de curtmetratges per Loxoro (2012). El 2014 estrenà Aloft.