До его рождения наследником Второй империи был дядя Наполеона III, младший брат Наполеона I Жером Бонапарт, отношения с детьми которого у императора были натянуты. Обзаведение семьёй было политической задачей для Наполеона III с момента провозглашения империи 2 декабря 1852 года; будучи на момент захвата власти холостым, новоиспечённый император искал невесту из царствующего дома, но был вынужден довольствоваться уже в 1853 году браком с испанской дворянкой Евгенией Монтихо. Рождение сына у четы Бонапартов, после трёх лет брака, широко праздновалось в государстве; из пушек в Доме Инвалидов был отдан салют в 101 выстрел. Заочным крёстным отцом принца стал папа римский Пий IX. С момента рождения (роды, по французской королевской традиции, происходили в присутствии высших сановников государства, включая детей Жерома Бонапарта) принц империи считался преемником отца; он был последним французским престолонаследником и последним носителем титула «сын Франции». Был известен как Луи или, уменьшительно, принц Лулу.
Наследник воспитывался во дворце Тюильри вместе со своими двоюродными сёстрами по матери, княжнами Альба. С детства он хорошо владел английским языком и латынью, а также получил хорошее математическое образование.
В начале франко-прусской войны 1870—1871 годов 14-летний принц сопровождал отца на фронт и под Саарбрюккеном 2 августа 1870 года с храбростью принял боевое крещение; зрелище войны, однако, вызвало у него психологический кризис. После того, как 2 сентября отец попал в плен, а в тылу империя была объявлена низложенной, принц был вынужден отправиться из Шалона в Бельгию, а оттуда в Великобританию. Он поселился с матерью в имении Кэмден-хаус в Чизльхерсте, Кент (ныне в черте Лондона), куда затем приехал и освобождённый из немецкого плена Наполеон III.
После кончины экс-императора в январе 1873 года и 18-летия принца, исполнившегося в марте 1874 года, бонапартистская партия провозгласила «принца Лулу» претендентом на императорский престол и главой династии как Наполеона IV (фр. Napol?on IV). Его оппонентами в борьбе за влияние на французских монархистов оказались легитимистская партия во главе с графом Шамбором, внуком Карла X, и орлеанистская партия во главе с графом Парижским, внуком Луи-Филиппа I (последний также жил в Великобритании).
Принц имел репутацию обаятельного и талантливого юноши, его личная жизнь была безупречной. Его шансы на восстановление власти во Франции в период нестабильного существования Третьей республики в 1870-е годы котировались довольно высоко (тем более что карта графа Шамбора была фактически отыграна после его отказа от трёхцветного знамени в 1873 году). Наполеон IV считался завидным женихом, в своём дневнике полушутя возможность брака с ним упоминает Мария Башкирцева. Одно время обсуждался проект брака между ним и младшей дочерью королевы Виктории, принцессой Беатрисой.
Принц поступил в Британский военный колледж в Вулидже, окончил его в 1878 году 17-м в выпуске и начал службу в артиллерии (как и его великий двоюродный дед). Он подружился с представителями шведской королевской семьи (король Швеции Оскар II был потомком наполеоновского маршала Жана Батиста Бернадота (Карла XIV Юхана) и правнуком Жозефины Богарне).
После начала англо-зулусской войны в 1879 году принц империи, в чине лейтенанта, по собственному желанию отправился на эту войну. Причиной этого рокового поступка многие биографы считают тяготившую молодого Наполеона зависимость от матери.
После прибытия в Южную Африку (Натал) он почти не участвовал в стычках с зулусами, поскольку главнокомандующий, лорд Челмсфорд, опасаясь политических последствий, велел следить за ним и препятствовать его участию в конфликте. Однако 1 июня Наполеон и лейтенант Кэри с небольшим отрядом отправились в один крааль на разведку (рекогносцировку). Не заметив ничего подозрительного, группа расположилась на привал около реки Итьотьоси. Там на них напала группа из 40 зулусов и обратила в бегство: были убиты два британца, а затем и принц, который яростно защищался. На его теле была обнаружена 31 рана от зулусских ассегаев; безусловно смертельным оказался удар в глаз. В британском обществе обсуждался вопрос, не бежал ли лейтенант Кэри с поля боя, оставив принца на произвол судьбы. Принц погиб всего за месяц до захвата англичанами в июле 1879 году столицы зулусов Улунди и окончания войны.
Смерть Наполеона Эжена привела к утрате практически всех надежд бонапартистов на реставрацию их дома во Франции; главенство в семье перешло к малоактивным и непопулярным потомкам Жерома Бонапарта (правда, перед роковым отъездом в Африку принц назначил своим преемником не старшего в семье своего двоюродного дядю, «принца Наполеона», известного как «Плон-Плон», из-за его дурной репутации среди бонапартистов, а сына последнего, принца Виктора, он же Наполеон V). С другой стороны, как раз в год гибели принца (1879) в Елисейском дворце монархиста маршала Мак-Магона сменил убеждённый республиканец президент Жюль Греви, при котором монархические заговоры (см. Буланже) потерпели поражение и государственный строй Третьей республики упрочился.
Тело принца было привезено на корабле в Англию и похоронено в Чизлхерте, а впоследствии, вместе с прахом отца, перенесено в специальный мавзолей, возведённый для мужа и сына Евгенией в имперской крипте аббатства Св. Михаила в Фарнборо, Хемпшир. Евгения, согласно британским законам, должна была опознать тело сына, но оно было так изуродовано, что ей помог лишь послеоперационный шрам на бедре. На похоронах присутствовали Виктория, принц Уэльский Эдуард, все Бонапарты и несколько тысяч бонапартистов. Сама Евгения, пережившая родных почти на полвека, была погребена там же в 1920.
Виктория хотела воздвигнуть своему несостоявшемуся зятю, павшему на британской службе, памятник в Вестминстерском аббатстве, но этот проект был отклонён парламентом из-за голосов либералов. Вместо этого королева почтила «Маленького принца» памятником в часовне св. Георгия в Виндзорском замке, рядом с могилой своего мужа Альберта. Памятник принцу воздвигли также жители Чизлхерста, в лесу около Кэмден-хауса. На нём выбиты слова из завещания принца, написанного перед отъездом в Африку: «Я умру с чувством глубочайшей благодарности её величеству Королеве, всей королевской семье и стране, где на протяжении восьми лет я пользовался таким сердечным гостеприимством».
Памяти принца Оскар Уайльд посвятил стихотворение:
…Несчастный мальчик! Ты чужою жертвой
Стал на чужбине, - о твоей судьбе
Не будет слезы лить легионер твой!
Французская республика тебе
Воздаст почет венком солдатской славы,
Не королю отсалютует, - нет!
Твоя душа - достойна дать ответ
Величественному столпу державы...
(перевод Е. Витковского)
Принца в детстве писали многие известные художники Европы, включая портретиста монархов Франца Ксавье Винтергальтера. В парижском музее Орсе имеется входящая в экспозицию музея мраморная статуя работы Жана-Батиста Карпо, изображающая 10-летнего принца с собакой Неро. Скульптура приобрела большую известность и стала предметом многочисленных реплик (после падения империи Севрская мануфактура выпускала реплики-статуэтки уже под названием «Ребёнок с собакой»).
В 1998 году в честь принца был назван открытый франко-канадскими астрономами астероид-луна «Маленький принц» () — спутник названного в честь его матери астероида Евгения. Название отсылает, помимо Наполеона IV, и к знаменитой повести Антуана де Сент-Экзюпери, где Маленький принц живёт на собственной маленькой планете. Официальное объяснение выбора названия планеты подчёркивает параллели между двумя принцами — Наполеоном и героем Экзюпери (оба принца были молоды, отважны и небольшого роста, покинули свой уютный мир, их путешествие трагически завершилось в Африке).