Né le 14 juin 1983 à Paris, Louis Garrel est le fils du réalisateur Philippe Garrel et de l'actrice et réalisatrice Brigitte Sy, ainsi que le petit-fils de l'acteur Maurice Garrel. Filmé très tôt par son père, cinéaste de l'intime qui met en scène ses proches, il apparaît dès l'âge de six ans dans Les Baisers de secours. Après des études littéraires au lycée Fénelon, il renonce au baccalauréat pour intégrer le Conservatoire national supérieur d'art dramatique de Paris, dont il sort diplômé en 2004. Révélé comme acteur dans Les Amants réguliers de son père en 2005, qui lui vaut le César du meilleur espoir masculin, il devient l'une des figures du jeune cinéma d'auteur français, collaborant notamment avec Christophe Honoré. En 2008, il passe à la réalisation avec le court métrage Mes copains, suivi de Petit Tailleur puis de La Règle de trois, primé du prix Jean-Vigo en 2012. Son premier long métrage, Les Deux Amis (2015), coécrit avec Christophe Honoré, est suivi de L'Homme fidèle (2018), La Croisade (2021) puis de L'Innocent (2022), présenté à Cannes et récompensé de deux César, dont celui du meilleur scénario original. Il poursuit en parallèle une importante carrière d'acteur, notamment aux États-Unis dans Les Filles du docteur March de Greta Gerwig.
L'héritage direct de son père Philippe Garrel, cinéaste de l'intime et de l'autobiographie transposée, façonne profondément sa propre approche de la mise en scène et son goût pour les récits puisés dans son entourage. Sa proximité de longue date avec le réalisateur Christophe Honoré, avec qui il collabore à la fois comme acteur et comme coscénariste, constitue une influence déterminante de son écriture. Son admiration précoce pour Jean-Pierre Léaud, dont il est le filleul, nourrit également sa vision d'un cinéma d'auteur postnouvelle vague, mêlant légèreté et mélancolie.
Garrel développe une mise en scène héritière de la Nouvelle Vague, mêlant comédie romantique et mélancolie affirmée dans une veine résolument parisienne et cinéphile. Il aime construire ses récits autour de personnages en délicatesse avec l'engagement amoureux, souvent tiraillés entre plusieurs figures féminines, comme dans L'Homme fidèle. Sa direction d'acteurs, nourrie par sa propre expérience de comédien, privilégie une forme de naturel et de spontanéité, tout en conservant un goût assumé pour l'élégance visuelle et la légèreté de ton, y compris dans le traitement de sujets graves comme dans L'Innocent.
Louis Garrel remporte le César du meilleur scénario original en 2023, avec Tanguy Viel et Naïla Guiguet, pour L'Innocent. Son court métrage La Règle de trois obtient le prix Jean-Vigo en 2012, tandis que Les Deux Amis lui vaut le prix de la Fondation Gan pour le cinéma. En tant qu'acteur, il est nommé à six reprises aux César, dont quatre fois dans la catégorie du meilleur acteur dans un second rôle.
Christophe Honoré, avec qui il coécrit Les Deux Amis et qui l'a dirigé à de nombreuses reprises comme acteur, occupe une place centrale dans son parcours de cinéaste. Son épouse, l'actrice et mannequin Laetitia Casta, apparaît à ses côtés dans L'Homme fidèle. Son père Philippe Garrel, qui l'a révélé comme acteur, reste une référence constante de son travail de metteur en scène.
L'amour et ses trahisons, souvent traités sous forme de triangles ou de rivalités amoureuses, structurent l'essentiel de son œuvre de réalisateur, de Les Deux Amis à L'Homme fidèle. La transmission familiale et le poids d'un héritage artistique constituent également un motif sous-jacent constant, compte tenu de sa propre histoire personnelle. Garrel s'intéresse enfin, notamment dans L'Innocent, à la marginalité et à la réinsertion, thèmes qu'il traite avec une légèreté et un humour assumés malgré la gravité du sujet.