Отец — врач, мать — писательница Луиса Мерседес Левинсон, соавтор Борхеса. Луиса с детства испытывала интерес к естественным наукам, но выбрала все-таки литературу. С 17-ти лет публиковалась в аргентинских журналах. В 20 лет переехала с мужем в Париж, сблизилась с группой «Tel Quel». В 1961 году вернулась на родину. Работала как журналист, много путешествовала.
В 1969 году получила стипендию Фулбрайта, работала в университете штата Айова. В 1972—1974 гг. жила в Мехико, Париже, Барселоне. После установления военной диктатуры и цензурного вмешательства в её творчество (из её опубликованного романа Как на войне (1977), требовали изъять сцену пыток) переехала в 1979 году в США, где прожила 10 лет. Опубликовала там несколько книг, преподавала в ряде университетов. В 1989 году вернулась на родину, поселилась в Буэнос-Айресе. Сотрудничает с прессой, читает курсы лекций по литературе, путешествует.
Удостоена нескольких национальных и зарубежных премий. Произведения Луисы Валенсуэлы переведены на японский и большинство европейских языков. 20-21 ноября 2008 в Венском университете прошёл Международный симпозиум, посвященный творчеству писательницы.