Il naît le 11 décembre1930 à Piolenc dans le Vaucluse à 6 km au nord-ouest d'Orange. Fils d'un riche industriel du sud de la France. Il veut devenir coureur automobile comme son oncle Maurice Trintignant.
En 1942, il se découvre une passion pour la poésie de
Jacques Prévert qui ne le quittera plus de sa vie avec entre autres Guillaume Apollinaire et Louis Aragon.
En 1949, alors qu'il est étudiant en droit à la faculté d'Aix-en-Provence il assiste à une représentation de L'Avare, comédie de Molière mise en scène par
Charles Dullin : cette pièce est pour lui une révélation. Il abandonne ses études et décide de suivre les cours de comédie de
Charles Dullin et de
Tania Balachova à Paris et de tenter de vaincre sa profonde timidité.
Il épouse l'actrice
Stéphane Audran (qui se remariera avec le réalisateur
Claude Chabrol en secondes noces).
En 1951, il débute au théâtre dans la Compagnie Raymond Hermantier avec la pièce À chacun selon sa faim. Il enchaîne avec la Comédie de Saint-Étienne ou il joue Macbeth de William Shakespeare avec Jean Dasté. Puis il suit les cours de réalisateur de l'Institut des hautes études cinématographiques (IDHEC). (Il ne réalisera son premier film que vingt ans plus tard avec Une journée bien remplie en 1972 et Le Maître-nageur en 1978 qui seront deux échecs).
En 1956 après quelques figurations, il fait ses débuts comme acteur de cinéma avec le film
Si tous les gars du monde de
Christian-Jaque et connaît la célébrité internationale la même année en même temps que
Brigitte Bardot avec le film mythique à scandale Et Dieu... créa la femme de
Roger Vadim où il joue le jeune époux fou amoureux de Juliette, une jeune femme à la beauté diabolique qui ne pense qu'à s'amuser et à aimer les hommes dans une communauté du village de Saint Tropez traditionnellement dure au labeur et attachée aux bonnes moeurs. Sa liaison avec
Brigitte Bardot (mariée à
Roger Vadim) fait alors couler beaucoup d'encre dans la presse people internationale et fait exploser le couple Vadim Bardot.
Il disparaît totalement durant son service militaire en Allemagne, puis à Alger en Algérie pendant trois longues années qui vont le marquer profondément et arrêter sa carrière durant la guerre d'Algérie (1954 à 1962) où il fait tout pour être réformé sans succès de ce conflit qu'il ne peut pas supporter.
Revenu à la vie civile, il redevient populaire en jouant de façon magistrale Hamlet de William Shakespeare au théâtre et renoue avec le cinéma en 1959 grâce à
Roger Vadim qui lui offre un rôle important dans son nouveau film sulfureux Les liaisons dangereuses avec Gérard Philipe,
Jeanne Moreau, Annette Vadim et
Boris Vian... Il a été brièvement marié à l'actrice
Stéphane Audran. En 1966, il connaît à nouveau la gloire internationale avec
Un homme et une femme de
Claude Lelouch récompensé de la Palme d'or au Festival de Cannes 1966 et des Oscar du meilleur film étranger et Oscar du meilleur scénario original 1966.
Il joue également dans des films politiquement engagés contre le fascisme et la dictature : Le Combat dans l'île d'
Alain Cavalier en 1962 et Z de
Costa-Gavras avec
Yves Montand, rôle pour lequel il reçoit le Prix d'interprétation masculine au Festival de Cannes de 1969.
Il enchaîne une impressionnante carrière entre cinéma d'auteur, films grand public et théâtre où il prend souvent des rôles d'anti-héros au charisme envoûtant et à la voix de velours tourmentée et sarcastique. Il s'impose parmi les plus grands comédiens de sa génération.
En 1968, il est récompensé du prix d'interprétation au Festival du film de Berlin (Berlinale) pour L'Homme qui ment d'
Alain Robbe-Grillet.
Il épouse l'actrice, scénariste et réalisatrice Nadine Marquand pour qui il tourne de nombreux films et avec qui il a trois enfants :
Marie Trintignant, Pauline, et Vincent Trintignant. La mort brutale de Pauline en 1970 (9 mois après sa naissance en 1969) plonge le couple dans la douleur. Cet épisode sera le sujet d'un film de Nadine Trintignant, Ça n'arrive qu'aux autres, dans lequel Jean-Louis Trintignant devait jouer son propre rôle auprès de
Catherine Deneuve. Il refuse le rôle, qui échoit à
Marcello Mastroianni.
Marie joue dans plusieurs films de sa mère aux côtés de son père et plusieurs pièces de théâtre avec son père. Elle devient la partenaire privilégiée de son père.
Il suit des cours de pilotage de toutes les écoles de pilotage françaises et court un temps comme pilote automobile professionnel. Il participe à plusieurs rallyes et courses en circuits notamment pour l'équipe du Star Racing Team sur Simca 1000 rallye. Il y rencontre Marianne Hoepfner, célèbre pilote de rallye, notamment celui du Paris-Dakar 1984. Elle deviendra sa compagne, après son divorce d'avec Nadine Trintignant.
Dans les années 1980, âgé de 50 ans, il se retire dans sa maison d'Uzès dans le Gard à 40 km à l'ouest d'Avignon pour vivre en harmonie avec la nature. Il se dit lassé par le cinéma et se fait plus rare sur les écrans. Dans les années 1990, il aborde des personnages misanthropes et cyniques, murés dans leur solitude.
En 1986,
Claude Lelouch lui propose de reprendre son rôle de coureur automobile dans Un homme et une femme : vingt ans déjà dans lequel il retrouve
Anouk Aimée.
En 1996, à l'image de son oncle Maurice Trintignant retiré de la course automobile dans son domaine viticole de Vergèze à 20 km au sud-est de Nîmes dans le Gard, il se lance dans une nouvelle aventure en achetant le domaine viticole Rouge Garance (en hommage à
Arletty) de cinq hectares dans les Côtes du Rhône associé avec son couple d'amis Claudie et Bertrand Cortellini à Saint-Hilaire-d'Ozilhan à 20 km de Nîmes et d'Avignon. Il produit 20 000 bouteilles de Côtes du Rhône appellation villages AOC. Il fait dessiner la première étiquette de sa première cuvée 1997 par son ami le dessinateur de bande dessinée Enki Bilal. Dix ans après, son domaine Rouge Garance est l'un des domaines phares parmi les mieux notés de la vallée du Rhône grâce au talent des propriétaires. Il rachète et utilise les vieilles barriques du domaine bourguignon de la Romanée-Conti pour vinifier son vin. « Je passe mon temps dans les vignes, je veille aux assemblages. » À Uzès, l'acteur laisse la place à l'éleveur de vin et d'oliviers.
En 2003, il lit sur scène derrière son pupitre les Poèmes à Lou (lettre d'amour du poète Guillaume Apollinaire à sa bien aimée Lou) avec sa fille
Marie Trintignant.
En 2005, il présente son spectacle Jean-Louis Trintignant lit Apollinaire créé avec sa fille Marie en hommage pour elle au Festival d'Avignon.