Lou de Laâge est découverte par le public en 2008. Alors âgée de 18 ans, elle fait ses débuts sur petit écran dans un épisode de la série Les Petits meurtres d’Agatha Christie. L’année suivante, elle tourne une pub pour un rouge à lèvres de la marque Bourjois et obtient en 2011 le rôle de Pauline dans les 6 épisodes de la série 1788 et demi.

Elle arrive finalement sur grand écran la même année avec J’aime regarder les filles de Frédéric Louf. Partageant l’affiche avec Pierre Niney de la Comédie Française, elle y interprète Gabrielle, jeune étudiante de la bourgeoisie parisienne. Par la suite, en parallèle du rôle de Blanche dans La Nouvelle Blanche-Neige pour la télévision, elle tourne Nino une adolescence imaginaire de Nino Ferrer réalisé par Thomas Bardinet, sorti en salles en avril 2012.

Cette même année, Lou monte pour la première fois sur les planches avec la pièce Il était une fois... le Petit Poucet, de Gérard Gelas. Sa carrière au théâtre se poursuit en 2013 dans deux téléfilms : Alias Caracalla et Anna Karénine. Elle est également à l’affiche de Des gens qui s'embrassent de Danièle Thompson avec Kad Merad, Monica Bellucci et Max Boublil ainsi que Jappeloup avec Guillaume Canet. Dans ce dernier, elle campe Raphaëlle, soigneuse de chevaux, et est nominée pour le César du meilleur espoir féminin.

En 2014, la jeune actrice remonte sur les planches dans deux pièces de théâtre : A la périphérie de Sedef Ecer, puis Ni Dieu ni Diable d'Augustin Billetdoux, au Théâtre 13. Lou de Laâge tourne également aux côtés de Joséphine Japy dans Respire, le deuxième long-métrage en tant que réalisatrice de Mélanie Laurent. Elle y tient le rôle principal. En mai 2014, les trois jeunes femmes foulent le tapis rouge de la Croisette lors de la projection de ce film à la Semaine de la Critique Internationale du 67ème Festival de Cannes.

En 2016, Lou brille devant la caméra d'Anne Fontaine dans Les Innocentes. Le film se passe en Pologne en décembre 1945. L'actrice y interprète Mathilde, une jeune interne de la Croix-Rouge chargée de soigner les rescapés français avant leur rapatriement.Trois ans plus tard, elle retrouve Anne Fontaine pour Blanche comme Neige, variation moderne autour du célèbre conte. La comédienne incarne Claire, jeune femme d’une grande beauté, suscitant l’irrépressible jalousie de sa belle-mère Maud (Isabelle Huppert).

Choisissant ses projets avec soin, la native de Bordeaux interprète en 2021 la femme haut placée de Pierre Niney dans le thriller Boîte noire, qui se situe dans le milieu de l’aéronautique. Cette même année, elle joue l’héroïne du Bal des folles de Mélanie Laurent, adapté du roman du même nom de Victoria Mas et qui met en lumière l’oppression des femmes au 19ème siècle. En 2022, l'actrice porte le drame romantique au dispositif scénaristique original (elle joue son personnage de 17 à 80 ans !) Le Tourbillon de la vie.

On la verra début 2023 dans Tu choisiras la vie, incarnant une fille de rabbin en pleine remise en cause des contraintes imposées par sa religion. Cette même année, elle est l'héroïne du 50ème film de Woody Allen, Coup de chance.