En 2004, Louis-Julien Petit obtient son diplôme de l’École Supérieur de Réalisation Audiovisuelle (ESRA). Il débute ensuite comme assistant-réalisateur pendant plus d’une décennie, sur une trentaine de longs métrages français et internationaux, où il côtoie différents réalisateurs de renom comme Luc Besson.
Parallèlement, il écrit et réalise quelques courts-métrages dont Bande Démo, sorti en 2013, et primé dans de multiples festivals. Cette même année, après trois ans de production, il termine le long métrage dramatique Anna et Otto. L’année suivante, il réalise Discount, sorti en salle début 2015. Cette comédie met en scène les employés d’un magasin créant, clandestinement, leur propre supermarché discount. Lauréat du Prix Valois au Festival d’Angoulême en 2014, ce film engagé dénonce le gaspillage alimentaire et a reversé les recettes publicitaires, produites grâce à la bande-annonce, à l’association Les Restos du Cœur.
En 2016, le long métrage Carole Matthieu est diffusé sur la chaîne Arte avant de sortir dans les salles de cinéma. Ce drame est une adaptation du roman Les visages écrasés de Marie Ledun publié en 2011 et raconte l’histoire d’une femme médecin du travail, jouée par Isabelle Adjani, qui, face aux détresses des salariés, essaie, difficilement, de changer leurs conditions et pratiques.
Début 2019, Louis-Julien Petit adapte un autre roman (Sur la route des invisibles, femmes de la rue de Claire Lajeunie) avec Les Invisibles un nouveau film engagé sur la précarité, à travers le quotidien d’un centre d’accueil pour femmes SDF. Il connaît un grand succès au box-office français avec plus de 1,3 millions d’entrées.
Trois ans plus tard, il retrouve Audrey Lamy sur La Brigade, portrait d’une quarantenaire qui rêve de diriger son propre restaurant, et qui se retrouve affectée à un poste de cantinière dans un foyer accueillant des jeunes sans papiers.
Noémie Laporte