Après des débuts dans le mannequinat, Louise Monot décroche à 17 ans son premier rôle à la télévision dans un épisode des Cordier, juge et flic avant de tourner dans la série La Vie devant nous ou dans des téléfilms comme Ange de feu (2006) aux côtés de Frédéric Diefenthal ou Des parents pas comme les autres (2002), dans lequel elle tient le rôle principal.

C'est avec Un amour à taire en compagnie de Jérémie Renier que la jeune fille se révèle à la profession, recevant le Prix du Jeune Espoir Féminin au Festival de Luchon. Sur grand écran, elle débute aux côtés de Sara Forestier et de Nicolas Duvauchelle dans Hell puis de Charlotte Gainsbourg et Alain Chabat dans Prête-moi ta main.

En 2008, Louise Monot devient la soeur d'Olivia Bonamy dans le sombre MR 73 d' Olivier Marchal, avant de se transformer en agent secret sexy, tenant tête à Jean Dujardin dans OSS 117 : Rio ne répond plus (2009). La comédienne s'impose peu à peu dans le milieu, partageant l'affiche aussi bien avec la génération montante (Clémence Poésy et Jérémie Renier dans Pièce montée), qu'avec celle bien plus confirmée du cinéma français (Jean Dujardin qu'elle retrouve, aux côtés de François Cluzet, Gilles Lellouche ou Marion Cotillard dans Les Petits mouchoirs (2010) de Guillaume Canet.)