Луи де Бройль родился 15 августа 1892 года в Дьепе (Франция) в аристократической семье. В 1909 году он получил степень бакалавра истории в Парижском университете, но отказался от карьеры историка, заинтересовавшись точными науками, и в 1913 году был удостоен степени бакалавра в этой области.
После службы в армии в годы Первой мировой войны работал в лаборатории брата – Мориса де Бройля, где занимался исследованием высокочастотных излучений. Результатом этих работ стала докторская диссертация «Исследования в области квантовой теории», которую Бройль защитил в 1924 году. В ней он выдвинул идею о волновых свойствах материи, предположив, что материальные частицы должны обладать и волновыми свойствами, связанными с их массой и энергией.
Экспериментальное подтверждение этой идеи было получено в 1927 году в опытах по дифракции электронов в кристаллах, а позже она получила практическое применение при разработке магнитных линз для электронного микроскопа. Концепцию Бройля о корпускулярно-волновом дуализме использовал Э.Шредингер при создании волновой механики.
Удостоен Нобелевской премии 1929 года по физике за открытие волновой природы электрона.
С 1928 по 1962 год Луи Бройль был профессором Парижского университета. В 1933 году стал членом Французской академии наук, а в 1942 – одним из ее постоянных секретарей. Много занимался вопросами образования, организовал при Институте Анри Пуанкаре центр по изучению современной теоретической физики. Автор популярных изданий по физике.
Умер Луи де Бройль в Париже 19 марта 1987 года.