Роден е в заможно семейство, натрупало състояние от производство на захар още по времето на Наполеоновите войни. Получава католическо образование, а впоследствие постъпва в Сорбоната, за да следва политически науки. Детското му увлечение по киното обаче предопределя през 1950 г. да продължи образованието си в Парижкия институт по кинематография.
Започва кариерата си при Робер Бресон като помощник-режисьор. След снимките на два документални филма, получава покана от океанолога Жак-Ив Кусто да стане негов оператор и помощник-режисьор, и двамата заедно създават документалния филм „Светът на мълчанието“ („Le Monde du silence“, 1956), награден със „Златна палма“ през 1956 г. и „Оскар“.
Следващите два филма на Мал се оказват емблематични за зараждащата се Френска нова вълна: „Асансьор за ешафода“ („Ascenseur pour l'echafaud“, 1958) и „Любовници“ („Les Amants“, 1958). В тях дебютира символа на независимото френско кино, Жана Моро.
Трагичната драма „Lacombe Lucien“ (1974) изиграва особена роля в живота на Мал. Филмът, разказващ историята на обикновено момче, сътрудничило на фашистките окупатори по време на Втората световна война, предизвиква остри реакции и става една от причините режисьорът да напусне Франция и през следващите 10 години да снима филми в САЩ и Канада.
Завръщайки се във Франция, Луи Мал снима „Сбогом, момчета“ („Au revoir les enfants“, 1987), а един от последните му филми е „Damage“ (1992) с Джеръми Айрънс и Жулиет Бинош.
Луи Мал е носител на много награди на европейски кинофестивали, има и номинации за Оскар. Умира от рак на 23 ноември1995 г. в Калифорния.
