Né d'un père réalisateur, François Leterrier, et d'une mère costumière, Catherine Leterrier (ce qui fait de lui le neveu de l'ancien Premier Ministre Laurent Fabius), Louis Leterrier est d'abord batteur d'un groupe de musique avant de se lancer dans la direction de courts métrages. À l'âge de dix-huit ans, après quelques stages en publicité, il part suivre des études de cinéma à la Tisch School of the Arts de l'Université de New York.

En 1997, il assiste Jean-Pierre Jeunet sur le tournage de Alien, la résurrection aux États-Unis.

De retour en France, il travaille avec Luc Besson à la réalisation de spots publicitaires pour Club Internet et L'Oréal et du film Jeanne d'Arc. Il collabore également avec Alain Chabat, en tant que deuxième assistant, sur le tournage d'Astérix & Obélix : Mission Cléopâtre (2001). Il y tient également un petit rôle d'Ouhécharlis.

Passé à la réalisation en 2002, Louis Leterrier cosigne avec le réalisateur hongkongais Corey Yuen Le Transporteur, un film d'action avec Jason Statham. Il entre alors dans « l'écurie » Besson, au même titre que Chris Nahon et Pierre Morel, et c'est seul qu'il met en scène Jet Li dans Danny the Dog, long métrage mêlant émotion et arts martiaux (2004). Luc Besson lui confie alors la réalisation du 2e volet du Transporteur, qui se déroule cette fois à Miami.

Il réalise aussi le premier clip du groupe Enhancer sur le single Cinglé, tiré de l'album Street Trash, sorti en 2004.

En 2008, dans la vague des réalisateurs français engagés à Hollywood, il réalise son premier film américain à gros budget1, L'Incroyable Hulk, avec Edward Norton reprenant le rôle de Hulk tenu par Eric Bana dans Hulk d'Ang Lee (2003).

En 2010, il poursuit son aventure hollywoodienne avec Le Choc des titans, un remake du film de 1981 du même nom, produit par la Warner Bros, qui est sorti en France le 7 avril 2010 en 3D dans les salles équipées.

En 2011, Leterrier annonce sa volonté d'adapter le jeu, Metal Gear Solid de Hideo Kojima. Finalement son prochain film sera Insaisissables, avec un casting impressionnant : Jesse Eisenberg, Mélanie Laurent, Morgan Freeman, Woody Harrelson, Michael Caine et Mark Ruffalo.