Родился во Франции в местечке Thumeries (департамент Нор) в состоятельной семье, пятый из семи детей. Изучал сначала политологию, затем кинематограф. Как кинематографист практиковался у Жак-Ива Кусто — принял участие в двухлетней экспедиции Кусто на корабле «Калипсо», где приобрёл практические кинематографические навыки. Результатом стал фильм «В мире безмолвия» (1956), снятый совместно с Кусто. Фильм получил высочайшие награды — «Оскара» и «Золотую пальмовую ветвь» Каннского кинофестиваля. Луи Малю было всего 24 года. В том же 1956 году, Маль работал ассистентом у Робера Брессона.
Первым самостоятельным фильмом Маля как режиссёра был «Лифт на эшафот» (1958). Следующий фильм — «Любовники» (1958), с Жанной Моро в главной роли — спровоцировал волну прений и споров из-за сексуального контекста и тем, которые тогда ещё были табу. Некоторые следующие фильмы Маля также затрагивают темы-табу: в фильме «Блуждающий огонёк» (1963) главный герой склонен к суициду, в фильме «Порок сердца» (1971) случается инцест между матерью и сыном, а фильм «Лакомб Люсьен» повествует о сотрудничестве французов с фашистской Германией во время второй мировой войны.
В 1970-х Маль жил и работал параллельно во Франции и США (в Голливуде). Последний фильм режиссёра — «Ваня на 42-ой улице» (1994) — основан на пьесе Чехова «Дядя Ваня». Среди актёров и ассистентов, с которыми работал Луи Маль: Брижит Бардо, Жанна Моро, Сьюзан Сарандон, Фолькер Шлёндорф, Марчелло Мастроянни. Луи Маль умер от лимфомы в своём доме в Лос-Анжелесе в возрасте 63 лет.
С 1980 года и вплоть до своей смерти Луи Маль находился в браке с американской актрисой Кэндис Берген.