Fille d'un professeur de philosophie et d'une professeur de français, Louise Bourgoin (de son vrai prénom, Ariane) contrecarre les rêves de stabilité de ses parents en s'inscrivant aux Beaux-Arts, dans le but de devenir professeur d'arts plastiques. Parallèlement, elle connaît une petite expérience dans le mannequinat, en posant notamment devant l'objectif de Ian Sanderson. Après l'obtention de son diplôme, elle opère un revirement radical en se lançant dans l'animation télé, d'abord sur la chaîne câblée Filles TV, puis plus brièvement sur Direct 8.

Son excentricité et son caractère fort attirent l'attention de Canal +, qui cherche alors à moderniser la rubrique météo de son Grand Journal. Choisie pour cette tâche, Louise Bourgoin relève le défi haut la main, faisant de sa rubrique un rendez-vous décalé, souvent absurde, parfois très ironique, mais surtout incontournable du petit écran. Afin d'éviter toute confusion avec l'autre chroniqueuse phare de l'émission, Ariane Massenet, elle change son prénom et devient Louise (en hommage à Louise Bourgeois, sa plasticienne préférée). La chaîne cryptée lui ayant permis de se faire un nom, elle est bien vite courtisée par le grand écran, des avances auxquelles elle ne cède que deux ans plus tard.

C'est en effet en 2008 que Louise Bourgoin fait ses premiers pas de comédienne, dans la comédie dramatique La Fille de Monaco d'Anne Fontaine, qui lui permet de donner la réplique à Fabrice Luchini et Roschdy Zem. Pour ce rôle ouvertement auto-parodique de miss météo sexy, déjantée et manipulatrice, elle reçoit une nomination au César du Meilleur Espoir féminin en 2009. Cette reconnaissance lance véritablement sa carrière et lui permet d'enchaîner les rôles. Elle prête ainsi sa voix à Susan dans Monstres contre Aliens et participe au Petit Nicolas de Laurent Tirard, avant d'être annoncée pour incarner l'icône Brigitte Bardot dans Gainsbourg - (vie héroïque), un rôle finalement confié à Laetitia Casta.

Qu'importe, elle est tout de même choisie par Luc Besson pour tenir la tête d'affiche son adaptation d'Adèle Blanc-Sec (2010), dans laquelle la jeune femme renoue avec son rôle favori de femme forte et pince-sans-rire. Cette même année, Louise Bourgoin apparaît dans pas moins de trois autres films : le thriller franco-belge de Christophe Blanc, Blanc comme neige, aux côtés de François Cluzet, la comédie dramatique Sweet Valentine d'Emma Luchini, ainsi que l'ambitieux et troublant Autre monde de Gilles Marchand.

Ayant fait ses armes et prouvé qu'elle savait varier ses prestations bien au-delà de l'image de bimbo excentrique de ses débuts, elle recherche des rôles toujours plus exigeants, à l'image de son personnage de mère dépressive dans Un heureux événement (d'après le livre d'Eliette Abecassis). A l'occasion de l'adaptation de L' Amour dure trois ans (2012), dans lequel elle partage l'affiche avec Joey Starr, Valérie Lemercier et Anny Duperey, elle retrouve son collègue de Canal +, Frédéric Beigbeder, qui signe son premier long-métrage.

La comédienne opère ensuite des choix de carrière qui lorgnent davantage du côté des films personnels, comme Tirez la langue, mademoiselle où elle incarne la mère d'une fille diabétique qui fait craquer les médecins campés par Cédric Kahn et Laurent Stocker, ou Un beau dimanche de Nicole Garcia dans lequel elle se glisse dans la peau d'une jeune femme devant de l'argent à des gens louches et qui rencontre un instituteur solitaire joué par Pierre Rochefort. Preuve de ces choix de carrière intéressants, elle porte en 2015 le drame social Je suis un soldat dans le rôle d'une trentenaire acceptant de travailler pour son oncle dans un chenil qui s’avère être la plaque tournante d’un trafic de chiens.

Après ce film très noir, Louise privilégie un temps la comédie comme en témoignent ses prestations dans Sous le même toit de Dominique Farrugia, L'Un dans l'autre de Bruno Chiche et Les Dents, pipi et au lit d'Emmanuel Gillibert. On la voit aussi dans L'Enfant rêvé, où elle joue une femme ayant une relation extra-conjugale avec Jalil Lespert, et le film fantastique et d'aventures La Montagne, qui se déroule dans les Alpes. La comédienne campe aussi l'un des personnages principaux de la série hospitalière Hippocrate de Thomas Lilti, un réalisateur qu'elle retrouve pour Un métier sérieux où elle joue une enseignante. Cette même année, elle incarne l'héroïne du drame Anti-squat, qui traite de la crise du mal-logement.