Après avoir été l’assistant de Robert Bresson, il passe à la mise en scène en 1958 avec Ascenseur pour l'échafaud et Les Amants. En 1960, il adapte Zazie dans le métro de Raymond Queneau, et en 1963 Le Feu Follet de Pierre Drieu la Rochelle. Il réunit à l’écran Jeanne Moreau et Brigitte Bardot dans Viva Maria ! (1965), dont il écrit le scénario en compagnie de Jean-Claude Carrière tout comme Le Voleur (1967). Il part en Inde tourner un documentaire (Calcutta, 1969). En 1969, il joue dans La Fiancée du pirate de Nelly Kaplan.

Il revient à la fiction en tant que réalisateur avec Le Souffle au cœur (1971), écrit en une semaine. En 1974, sort Lacombe Lucien, dont le scénario est écrit avec Patrick Modiano. Suivent Black Moon (1975), Pretty Baby (1978) et Atlantic City (1980), qui remporte le Lion d’or au Festival de Venise. Louis Malle vit alors aux Etats-Unis.

Son retour en France en 1986 est marqué par le film Au revoir les enfants (1987), dans lequel il s’inspire de souvenirs de son enfance pendant l’Occupation. En 1990, avec Milou en mai, il retrouve Jean-Claude Carrière comme co-scénariste et dialoguiste. En 1992, Fatale fait scandale aux Etats-Unis. Son dernier film Vanya 42e rue restitue la répétition par une troupe d’acteurs américains de la pièce Oncle Vania de Tchekov. Louis Malle est décédé le 23 novembre 1995.