Fils de Philippe Garrel et de Brigitte Sy.

Cinéaste de l'intime, Philippe Garrel filme volontiers les membres de son entourage. C'est ainsi que le jeune Louis apparaît à l'écran à 6 ans dans Les Baisers de secours, aux côtés notamment de sa mère Brigitte Sy et de son grand-père Maurice Garrel. Adolescent, cet admirateur de Jean-Pierre Léaud joue la comédie dans le cadre de son collège et du conservatoire d'arrondissement. Elève au Conservatoire National d'Art Dramatique, dont il sort diplômé en 2004, Louis Garrel fait ses vrais débuts au cinéma en 2001, incarnant un garçon brillant et tourmenté dans Ceci est mon corps de Rodolphe Marconi.

Jeune premier au regard farouche, il est bientôt le héros de deux évocations de Mai 68 : il forme avec Michael Pitt et Eva Green (autre "fille de") le trio de The Dreamers (2003), récit d'une initiation sexuelle signé Bertolucci, puis campe, devant la caméra de son père, un insurgé amoureux dans Les Amants réguliers, une prestation qui lui vaut le César du Meilleur espoir masculin en 2005. L'année suivante, le jeune homme joue l'amant passionné de Valeria Bruni Tedeschi dans Actrices. C'est sur ce tournage que les deux acteurs se rencontrent et partagent leur vie jusqu'en 2012.

Ne craignant pas les personnages sulfureux, Louis Garrel interprète le fils - et compagnon de débauche - d'Isabelle Huppert dans Ma mère (2004), adaptation du livre de Bataille par Christophe Honoré. Il retrouve le cinéaste en 2006 pour une autre affaire de famille, Dans Paris avec Romain Duris, étude des rapports entre deux frères, très remarquée au Festival de Cannes.

La complicité entre Louis et Christophe Honoré ne tarit pas puisque, l'année suivante, ils se retrouvent pour Les Chansons d'amour, comédie musicale où Garrel chante et incarne un amant torturé par la mort de sa compagne (jouée par Ludivine Sagnier) et qui va chercher consolation dans des bras inattendus. Les deux hommes se retrouveront encore en 2007 pour tourner La Belle personne, où Louis Garrel est un professeur d'italien ayant une liaison avec une de ses jeunes élèves. La même année, il retrouve également son père Philippe Garrel, qui le dirige pour La Frontière de l'aube.

En 2008, Louis Garrel passe pour la première fois derrière la caméra en scénarisant et réalisant Mes copains, un court métrage intimiste de 26 minutes où il filme ses propres amis, se débattant avec le temps qui passe, leurs échecs, leurs espoirs et leur besoin de créer. Lauréat du Prix Patrick Dewaere en 2009, il apparaît dans le dernier film de son cinéaste fétiche Christophe Honoré (Non ma fille, tu n'iras pas danser), avant de s'afficher aux côtés de Julie Depardieu et de Pascal Greggory dans Le Mariage à trois de Jacques Doillon.

Garrel est ensuite honoré d'une sélection à la Quinzaine des Réalisateurs cannoise en 2010, avec son moyen métrage Petit tailleur, qui met en scène une romance mélancolique entre Léa Seydoux et Arthur Igual. L'année suivante, il interprète Clément dans la nouvelle comédie musicale de Christophe Honoré, Les Bien-aimés, et joue le compagnon de Monica Bellucci dans Un été brûlant réalisé par Philippe Garrel.

Après une courte apparition dans son propre rôle dans la comédie Les coquillettes de Sophie Letourneur, Louis Garrel s'illustre l'année suivante dans deux films réalisés par des personnes dont il est proche. Tout d'abord, sa compagne, Valeria Bruni-Tedeschi pour Un Château en Italie, présenté en sélection officielle au Festival de Cannes suivi de La Jalousie dans lequel il forme un couple avec Anna Mouglalis devant la caméra de son père, Philippe Garrel.

Acteur emblématique du cinéma d'auteur français, Louis Garrel est dirigé l'année suivante par Bertrand Bonello dans Saint-Laurent, le biopic sulfureux consacré au célèbre couturier. Le comédien interprète Jacques De Bascher, l'amant d'Yves Saint-Laurent dans les années 1970. Son interprétation est saluée par la critique et lui permet de décrocher une nomination au César du meilleur acteur dans un second rôle.

En 2015, le comédien collabore de nouveau avec ses parents. Dans L'Astragale réalisé par sa mère, Louis Garrel campe un photographe et prête sa voix en incarnant le narrateur dans le nouveau film de son père L'Ombre des femmes. Il est en outre présent au Festival de Cannes pour deux occasions. D'une part, il figure au casting du nouveau film de Maïwenn, Mon Roi aux côtés d'Emmanuelle Bercot et Vincent Cassel mais surtout, il vient défendre son premier long métrage en tant que réalisateur, Les Deux amis dans lequel il joue face à Vincent Macaigne et sa compagne d'alors, Golshifteh Farahani.

Après avoir donné la réplique à Marion Cotillard dans Mal de pierres et Les Fantômes d'Ismaël d'Arnaud Desplechin, il se glisse dans la peau de deux grandes figures : Robespierre dans la fresque historique Un Peuple et son roi et Jean-Luc Godard dans la comédie Le Redoutable de Michel Hazanavicius. En 2018, il se met en scène au centre d'un triangle amoureux dans L'Homme fidèle, convoité par Lily-Rose Depp et Laetitia Casta.

Toujours aussi sollicité par le cinéma français (J'accuse de Roman Polanski, ADN de Maïwenn), il s'illustre également à partir de 2019 dans des productions étrangères. On le croise dans At Eternity's Gate, biopic consacré à Van Gogh ; l'adaptation des Filles du Docteur March par Greta Gerwig ; le drame romantique L'Histoire de ma femme ; ou encore Rifkin's Festival du controversé Woody Allen. 

Sur tous les fronts, il est à l'affiche de pas moins de six longs-métrages en 2022 ! Outre L'Histoire de ma femme et Rifkin's Festival, il retrouve les visages familiers de Bertrand Bonello pour Coma et de son ex-compagne Valeria Bruni Tedeschi pour Les Amandiers. Il interprète dans ce film semi-autobiographique sur la troupe du théâtre des Amandiers le rôle de Patrice Chéreau. Avant le biopic Caravage de Michele Placido, consacré au célèbre peintre, Louis Garrel se fait surtout remarquer cette année-là avec son quatrième long-métrage en tant que réalisateur. Sorti quelques mois après La Croisade (où il partage l'affiche avec sa compagne actuelle Laetitia Casta), L'Innocent est une comédie de braquage enlevée qui lui permet de briser l'image de brun ténébreux qui lui colle à la peau depuis ses débuts.