Fils de Philippe Garrel et de Brigitte Sy.
Cinéaste de l'intime, Philippe Garrel filme volontiers les membres de son entourage. C'est ainsi que le jeune Louis apparaît à l'écran à 6 ans dans Les Baisers de secours, aux côtés notamment de sa mère Brigitte Sy et de son grand-père Maurice Garrel. Adolescent, cet admirateur de Jean-Pierre Léaud joue la comédie dans la cadre de son collège et du conservatoire d'arrondissement.
Elève au Conservatoire National d'Art Dramatique, dont il sortira diplômé en 2004, Louis Garrel fait ses vrais débuts au cinéma en 2001, incarnant un garçon brillant et tourmenté dans Ceci est mon corps de Rodolphe Marconi.
Jeune premier au regard farouche, Louis Garrel est bientôt le héros de deux évocations de Mai 68 : il forme avec Michael Pitt et Eva Green (autre "fille de") le trio de The Dreamers (2003), récit d'une initiation sexuelle signé Bertolucci, puis campe, devant la caméra de son père, un insurgé amoureux dans Les Amants réguliers, une prestation qui lui vaut le César du Meilleur espoir masculin en 2005.
En 2006, il campe le jeune amant passionné de Valeria Bruni Tedeschi dans Actrices. C'est sur ce tournage que les deux acteurs se rencontrent, et ils partagent leur vie depuis lors.
Ne craignant pas les personnages sulfureux, il interprète le fils -et compagnon de débauche- d'Isabelle Huppert dans Ma mère (2004), adaptation du livre de Bataille par Christophe Honoré. Il retrouve le cinéaste en 2006 pour une autre affaire de famille, Dans Paris avec Romain Duris, étude des rapports entre deux frères très remarquée au Festival de Cannes.
La complicité entre Louis et Christophe Honoré ne tarit pas puisque, l'année suivante, il se retrouvent une fois encore pour Les Chansons d'amour, comédie musicale où Louis Garrel chante et incarne un amant torturé par la mort de sa compagne (jouée par Ludivine Sagnier) qui va chercher consolation dans des bras inattendus. Les deux hommes se retrouveront encore en 2007 pour tourner La Belle personne, où Louis Garrel est un professeur d'italien ayant une liaison avec une de ses jeunes élèves. La même année, il retrouve également son père Philippe Garrel qui le dirige pour La Frontière de l'aube.
En 2008, Louis Garrel passe pour la première fois derrière la caméra en scénarisant et réalisant Mes copains, un court métrage intimiste de 26 minutes où il filme... ses copains, se débattant dans le temps qui passe, leurs échecs, leur espoirs, l'urgence de créer qu'il partage avec eux.