Françoise ve Pierre Malle çiftinin çocuğu olarak Thumeries kentinde doğdu. Sciences Po'da siyaset bilimi ve IDHEC'de sinema okudu. 1956'da ünlü denizci Jacques Cousteau ile yönettiği Le Monde Du Silence filmi ile Altın Palmiye ve En İyi Belgesel dalında Akademi Ödülü'nü kazandı. Malle, Nouvelle Vague (Yeni Dalga) akımıyla ilişkili olup auter teorisiyle uyuşmaz. Godard, Truffaut, Chabrol, Rohmer gibi akımın ünlüleriyle fazla ortak yanı yoktur.
1970'lerin sonunda Amerika Birleşik Devletleri'ne yerleşen Malle, 1995'te lösemi nedeniyle Beverly Hills'daki evinde hayatını kaybetti.
Louis Malle 1965'ten 1967'ye kadar kısa bir süre aktris Anne-Marie Deschodt ile evli kaldı. 1970'lerde 2 farklı ilişkisinden 2 çocuğu oldu: Alman aktris Gila von Weitershausen'dan 1971'de Manuel Cuotemoc Malle adlı bir oğlu, Kanadalı aktris Alexandra Stewart'tan da 1974'te Justine Malle adlı bir kızı dünyaya geldi. 1980'de 2. ve son evliliğini Amerikalı aktris Candice Bergen ile gerçekleştirdi ve 1985'te Chloe Françoise Malle adında bir kızı daha oldu.