Луи был вторым сыном и четвёртым ребенком будущего короля Франции Луи-Филиппа I и его супруги Марии-Амалии Неаполитанской.
Герцог Немурский, как и его братья, получил домашнее образование под присмотром отца, а затем продолжил его в лицее Генриха IV. С ранних лет Луи ориентировался на военную карьеру. В возрасте двенадцати лет он был назначен полковником 1-го полка конных егерей. В 1830 году получил от Карла X звание рыцаря Ордена Святого Духа и вступил в Палату пэров.
В 1825 году принц был одним из возможных кандидатов на греческий трон, но королём Греции в 1832 году стал принц Баварский. В феврале 1831 года, когда принц вместе с французской армией участвовал в освобождении Бельгии от нидерландской оккупации, бельгийским Национальным конгрессом он был избран королём. Однако ввиду сложившейся в мире ситуации (в особенности недовольства со стороны Великобритании), Луи-Филипп был вынужден отказаться от такой чести.
В 1836—1837 годах принц участвовал во французском завоевании Алжира, был командиром отряда по осаде города Константина. В 1841 году вернулся в Алжир и воевал под командованием маршала Бюжо. По возвращении во Францию был назначен комендантом военного лагеря в Компьень. Помимо военной службы, принц навещал с визитами вежливости Великобританию (1835, 1838 и 1845), Берлин и Вену (1836).
26 апреля 1840 года в Сен-Клу Луи Орлеанский женился на Виктории Саксен-Кобург-Кохари (1822—1857), дочери Фердинанда Саксен-Кобург-Готского. Дети:
Когда в 1842 году трагически погиб старший брат Луи и наследник престола Фердинанд, герцог Немурский стал возможным регентом при старшем сыне брата Луи-Филиппе. После февральских волнений и отречения короля, Луи сопровождал свою невестку Елену Мекленбург-Шверинскую и её двух детей в Ассамблею, чтобы провозгласить королем её старшего сына. Зная о своей непопулярности, принц был готов передать регентство герцогине Орлеанской. Однако их попытка потерпела поражение, и Ассамблея провозгласила республику. Вслед за этим принц уехал к родителям и супруге в Великобританию.
В 1871 году, когда срок закона о высылке королевских особ истек, Луи вернулся во Францию. В марте 1872 года он вступил в армию как генерал дивизии, но был вынужден вновь выйти в отставку после подписания второго закона о высылке. Луи Орлеанский умер в Версале в возрасте восьмидесяти двух лет.