Lou Doillon est la fille de la chanteuse et actrice Jane Birkin et du réalisateur Jacques Doillon. Avec de tels antécédents familiaux, elle s'oriente tout naturellement vers la comédie. Le public la découvre en 1997 dans un film de son père intitulé Trop peu d'amour. Puis elle enchaîne en 1998 avec le tournage de Mauvaises fréquentations sous la direction de Jean-Pierre Améris.

En 2000, la jeune actrice retrouve Jacques Doillon pour Carrément à l'ouest, le récit d'une passion amoureuse entre deux filles et un garçon. Ce film lance véritablement sa carrière. Le succès se confirme en 2002 avec sa participation à la comédie chorale Embrassez qui vous voudrez de Michel Blanc. La même année, la belle obtient le rôle principal de Blanche, un film de cape et d'épée de Bernie Bonvoisin.

Alternant les genres cinématographiques, Lou Doillon effectue une plongée dans le fantastique en donnant la réplique à Virginie Ledoyen dans Saint-Ange en 2004 et réapparaît en 2006, sur le grand écran, dans un thriller signé Douglas Buck, Sisters. Elle y interprète l'une des sœurs siamoises traumatisées par un certain docteur Lacan.

Changement de cap en 2007 avec une comédie douce-amère signée Jane Birkin. Dans Boxes, Lou campe le personnage de Camille, la fille d'Anna incarnée par Jane Birkin en personne, son rôle étant donc quelque peu autobiographique...Elle crie son indignation dans Bazar de Patricia Plattner tandis que sa mère antiquaire (incarnée par Bernadette Lafont) s'éprend d'un jeune homme de vingt-cinq ans (Pio Marmai).

En 2011, elle ose l'ambiguïté, en mettant en valeur son allure androgyne au service du Gigola de Laure Charpentier. Elle y incarne une jeune prostituée homosexuelle qui cède à l'autodestruction après le suicide de son premier amour.