Né d'un père réalisateur, François Leterrier, et d'une mère costumière, Catherine Leterrier, Louis Leterrier est d'abord batteur d'un groupe de musique avant de se lancer dans la direction de courts métrages. À l'âge de dix-huit ans, après quelques stages en publicité, il part suivre des études de cinéma à la Tisch School of the Arts de l'Université de New York.
En 1997, il assiste
Jean-Pierre Jeunet sur le tournage de Alien, la résurrection aux États-Unis.
De retour en France, il travaille avec
Luc Besson à la réalisation de spots publicitaires pour Club Internet et L'Oréal et du film
Jeanne d'Arc. Il collabore également avec
Alain Chabat, en tant que deuxième assistant, sur le tournage d'Astérix & Obélix : Mission Cléopâtre (2001). Il y tient également un petit rôle d'Ouhécharlis.
Passé à la réalisation en 2002, Louis Leterrier co-signe avec le réalisateur hongkongais Corey Yuen
Le Transporteur, un film d'action avec
Jason Statham. Il entre alors dans « l'écurie » Besson, au même titre que
Chris Nahon et Pierre Morel, et c'est seul qu'il met en scène
Jet Li dans
Danny the Dog, long métrage mêlant émotion et arts martiaux (2004). Luc Besson lui confie alors la réalisation du 2e volet du Transporteur, qui se déroule cette fois à Miami.
Il réalise aussi le premier clip du groupe Enhancer sur le single Cinglé, tiré de l'album Street Trash, sorti en 2004.
En 2008, dans la vague des réalisateurs français engagés à Hollywood, il réalise son premier film américain à gros budget, L'Incroyable Hulk, avec
Edward Norton reprenant le rôle de Hulk tenu par
Eric Bana dans
Hulk d'
Ang Lee (2003).
En 2010, il poursuit son aventure hollywoodienne avec Le Choc des titans, un remake du film de 1981 du
même nom, produit par la Warner Bros, qui sort en France le 7 avril 2010 en 3D dans les salles équipées.