Neveu du coureur automobile Maurice Trintignant, qui lui a transmis sa passion, le jeune Jean-Louis Trintignant suit des études de droit à la faculté d'Aix-en-Provence. Mais il assiste le jour de ses 19 ans à une représentation théâtrale qui changera sa vie : L'Avare, mis en scène par Charles Dullin, dont il décide de suivre les cours à Paris. Jeune premier qui débute sur les planches en 1951 avec la pièce A chacun selon sa faim, le comédien se fait rapidement remarquer, grâce notamment à Responsabilité limitée, un texte de Robert Hossein, en 1953. Il fait à cette époque un bref passage par l'IDHEC, avec pour ambition de devenir réalisateur - un désir qui ne se concrétisera que vingt ans plus tard.

Après quelques figurations, le premier film dans lequel apparaît Jean-Louis Trintignant est Si tous les gars du monde en 1955, mais celui qui le révèle est Et Dieu créa la femme de Vadim, drame au parfum de scandale qui lance le mythe Bardot. Très marqué par ses deux ans de service militaire en Algérie, il trouve un de ses premiers grands rôles en 1961 dans Le Combat dans l'ile, œuvre engagée de Cavalier. Son goût pour les personnages ambigus lui fera d'ailleurs tourner plusieurs grands films politiques, de Z de Costa-Gavras (sa composition de juge lui vaut le Prix d'interprétation à Cannes en 1969) au Conformiste de Bertolucci - un des sommets de sa carrière italienne, qui compte aussi Le Fanfaron de Risi ou La Terrasse de Scola.

C'est avec Un homme et une femme de Lelouch que le comédien accède au statut de vedette en 1966. Catholique tenté par l'infidélité dans Ma nuit chez Maud de Rohmer, séducteur manipulé dans Le Mouton enragé de Deville, agent immobilier soupçonné de meurtre dans Vivement dimanche ! de Truffaut, il navigue entre le cinéma d'auteur le plus novateur et les films grand public. Prix d'interprétation à Berlin pour L' Homme qui ment de Robbe-Grillet, l'acteur prend part au polar Flic story de Deray et au Bon Plaisir de Girod, dans lequel il incarne un Président de la République inspiré par François Mitterrand. Avec son jeu tout en nuances, à la profondeur teintée d'ironie, Jean-Louis Trintignant, dont la voix de velours constitue un précieux atout, s'impose comme l'un des plus grands comédiens de sa génération.

Marié à Stéphane Audran puis à Nadine Marquand, Jean-Louis Trintignant tourne plusieurs films sous la direction de cette dernière, le plus souvent aux côtés de leur fille Marie, qui deviendra également sa partenaire privilégiée au théâtre. Depuis la fin des années 80, le comédien, retiré dans sa maison d'Uzès, se dit lassé par le cinéma, et se fait plus rare sur les écrans. Ses prestations de vieil homme misanthrope dans Trois couleurs - Rouge de Kieslowski ou Ceux qui m'aiment prendront le train de Chéreau, n'en sont que plus troublantes.

Néanmoins, il accepte de tourner en 2002 avec sa fille, dans Janis et John, le premier long métrage de Samuel Benchetrit. Dix ans plus tard, Michael Haneke lui offre le rôle principal de son nouveau film, Amour. Dans ce drame récompensé par la Palme d'or à Cannes, l'acteur incarne Georges, octogénaire dont la femme vient d'avoir une attaque cérébrale et se retrouve paralysée. 5 ans plus tard, le comédien retrouve le cinéaste autrichien pour tourner Happy End, instantané d’une famille bourgeoise européenne.