Né d'un père réalisateur et d'une mère directrice artistique, Louis Leterrier est d'abord batteur d'un groupe de musique avant de se lancer dans la direction de courts métrages. À l'âge de 18 ans, après quelques stages en publicité, il part suivre des études de cinéma à la New York University. En 1997, il assiste Jean-Pierre Jeunet sur le tournage de Alien, la résurrection.

De retour en France, il travaille avec Luc Besson à la réalisation de spots publicitaires pour Club Internet et L'Oréal et du film Jeanne d'Arc (1999). Il collabore également, en tant que deuxième assistant, avec Alain Chabat sur le tournage de Astérix et Obélix : mission Cléopâtre (2001).

Passé à la réalisation en 2002, Louis Leterrier co-signe avec Corey Yuen Le Transporteur, un film d'action interprété par Jason Statham. Il entre alors dans "l'écurie Besson" au même titre que Chris Nahon et Pierre Morel, et met alors en scène, tout seul, Jet Li dans Danny the dog (2004), un long métrage mêlant émotion et arts martiaux. Luc Besson lui confie ensuite la réalisation de la suite des aventures du Transporteur, à nouveau en duo avec Corey Yuen, et qui se déroulent cette fois à Miami.

Son américanisation continue avec L'Incroyable Hulk où il dirige dans le rôle titre Edward Norton. En 2009, il réalise Le Choc des Titans, une super production produite par Warner Bros., avec Sam Worthington dans le rôle principal. Le film, s'inspirant du Choc des titans réalisé par Desmond Davis au début des années 1980, est centré sur les combats menés par Persée contre différents monstres issus des mythologies grecque et scandinave.

Il poursuit avec le lucratif film de magie au casting quatre étoiles (Jesse Eisenberg, Mark Ruffalo, Woody Harrelson, Morgan Freeman, entre autres) Insaisissables (2013) puis se retrouve aux commandes d'une parodie des films d'espionnage portée par le duo Sacha Baron Cohen/Mark Strong et s'intitulant Grimsby - Agent trop spécial (2016). 

Le réalisateur français délaisse un temps le grand écran et met en scène des épisodes des séries Dark Crystal : le temps de la résistance et Lupin, relecture moderne des aventures du célèbre gentleman cambrioleur auquel Omar Sy prête ses traits. Ces deux programmes sont diffusés sur Netflix, comme le long-métrage suivant de Leterrier, Loin du périph, suite de la comédie d'action De l'autre côté du périph. 

Il remplace ensuite au pied levé Justin Lin à la réalisation de Fast & Furious X (2023), dont il réécrit le scénario en une durée record de quatre jours. Il sera de retour pour le onzième épisode, annoncé comme l'avant-dernier de la franchise portée par Vin Diesel.