Alors qu'il est encore élève au Conservatoire National d'Art Dramatique, Louis Garrel débute véritablement au cinéma en 2001 dans le film Ceci est mon corps.
Deux ans plus tard, il forme un trio sulfureux avec Eva Green et Michael Pitt sur fond de Paris soixante-huitard dans The Dreamers - Les Innocents de Bertolucci. En 2005, il tourne pour son père dans Les Amants réguliers et remporte le César du meilleur espoir masculin.
Il devient ensuite l'acteur fétiche de Christophe Honoré qui le dirige dans les films Ma mère (2004), Dans Paris (2005), et Les Chansons d'amour (2007).
En 2008, il retrouve la caméra de son parternel pour La Frontière de l'aube aux côtés de Laura Smet. On le retrouve ensuite dans La belle personne de Christophe Honoré. Louis Garrel passe également pour la première fois derrière la caméra avec Mes copains, un court métrage intimiste de 26 minutes où il filme ses amis et son entourage.
Nous sommes en 1985, Vincent, bientôt 13 ans, vit en banlieue parisienne dans une famille de la classe moyenne, entre un grand frère distant et des parents en conflit permanent. Alors qu’il n’est « déjà plus » un enfant et qu’il n’est « pas encore » un adulte nous allons partager ses questions et ses doutes sur l’identité, l’amitié, la famille, la religion, le désir et les premiers élans amoureux.