Fils du réalisateur Philippe Garrel et de l'actrice Brigitte Sy, petit-fils du comédien Maurice Garrel, Louis Garrel grandit autour du cinéma.

Il apparaît enfant dans LES BAISERS DE SECOURS (1989) de son père, puis grandit hors caméra, avant de revenir en jeune héros de CECI EST MON CORPS de Rodolphe Marconi (2001).

Formé au Conservatoire de Paris (CNSAD), dont il sort en 2004, il monte sur scène pour « Les Vagues » de Virginia Woolf, « Viols » de Botho Strauss et « Ball » de Brecht, et explose à l'écran, en jeune soixante-huitard d'INNOCENTS de Bernardo Bertolucci (2003) et des AMANTS RÉGULIERS de Garrel père (2005).

Il retrouve son cinéaste paternel pour le photographe de LA FRONTIÈRE DE L'AUBE (2008), toujours en noir et blanc et face à Laura Smet, et pour l'amoureux de Monica Bellucci dans UN ÉTÉ BRÛLANT (2011).

Il élargit sa palette grâce à Christophe Honoré, qui en fait son acteur fétiche, en fils troublé par MA MÈRE (2004) d'après Bataille, en frère séducteur de DANS PARIS (2006) avec Romain Duris et Guy Marchand, en amoureux fragilisé dans LES CHANSONS D'AMOUR (2007) avec Ludivine Sagnier, Clotilde Hesme et Grégoire Leprince-Ringuet, en professeur séduit de LA BELLE PERSONNE (2008, photo) d'après Madame de la Fayette, et en jeune amant de Chiara Mastroianni dans NON MA FILLE, TU N'IRAS PAS DANSER (2009) et LES BIEN-AIMÉS (2011).

Curieux, il traverse aussi ACTRICES de sa compagne Valeria Bruni-Tedeschi (2007), et se joint au MARIAGE À TROIS de Jacques Doillon (2010) avec Julie Depardieu, Agathe Bontizer et Pascal Greggory.

Il porte les courts métrages UN LEVER DE RIDEAU de François Ozon (2006) d'après Montherlant, et CHOISIR D'AIMER de Rachid Hami (2008), tout en apparaissant en dragueur de scène finale des AMOURS IMAGINAIRES de Xavier Dolan (2010).

Il n'en reste pas non plus à la seule interprétation, puis qu'il écrit et réalise le court métrage MES COPAINS (2008), avec Sylvain Creuzevault, Damien Mongin et Arthur Igual, vus dans LES AMANTS RÉGULIERS, mais aussi Lolita Chammah, fille d'Isabelle Huppert, et sa propre sœur, Esther Garrel.

Il réitère avec PETIT TAILLEUR (2010), moyen métrage également présenté à la Quinzaine des Réalisateurs cannoise, qui débouche sur une sortie en salles, et qui réunit Léa Seydoux et Arthur Igual, en haut de l'affiche d'une chaîne de désirs, en noir et blanc, puis LA REGLE DE TROIS (2011), déambulation existentielle et amoureuse dans Paris qu'il joue avec Vincent Macaigne et Golshifteh Farahani.