Родился 14 июня 1983 года в Париже, в семье режиссёра Филиппа Гарреля и актрисы Брижит Си (род. 1956), еврейского происхождения[1]. Его сестра, Эстер Гаррель[англ.], тоже актриса. Внук актёра Мориса Гареля.
Снимался у отца-режиссёра с шести лет, но первый успех ему принесла роль синефила, эротомана и бунтаря Тео в «Мечтателях» Бернардо Бертолуччи. Эта роль идеально подошла к его имиджу неулыбчивого интеллектуала и нервического красавца. В 2006 году Луи Гаррель получил престижную премию «Сезар» за роль в фильме своего отца «Постоянные любовники» в номинации «Самый многообещающий актёр». Он был в центре внимания Каннского фестиваля 2007 года: в фильме Валерии Бруни-Тедески «Сон предыдущей ночи» Гаррель-мл. сыграл любовника сорокалетней актрисы (её роль исполнила сама Валерия), а в мюзикле Кристофа Оноре «Все песни только о любви» предстал героем бисексуальной мелодрамы.
При создании саундтрека «Песен» (2007) актёр сам исполнял все партии своего героя. Алекс Бопен[фр.], автор музыки и либретто, получил в 2008 году премию «Сезар» — «Лучшая музыка к фильму».
Луи Гаррель занял 15 место в списке «15 самых сексуальных мужчин» во французском журнале Elle в номере за июнь 2007 года.
В 2008 году актёра можно было увидеть в драме Кристофа Оноре «Прекрасная смоковница» в паре с Леа Сейду, а в 2010 — в мелодраме Ксавье Долана «Воображаемая любовь».
В 2014 году на 67-м Каннском кинофестивале состоялась премьера байопика «Сен-Лоран. Стиль — это я» Бертрана Бонелло, в котором Луи Гаррель сыграл Жака де Башера. За эту роль актёр был номинирован на премию Сезар[2]. В 2015 Гаррель сыграл в драме «Мой король» с Венсаном Касселем, за что был вновь удостоен номинации на премию Сезар, а также в комедийной мелодраме «Друзья», которая принесла ему две номинации Каннского кинофестиваля (в том числе за режиссёрский дебют).