Луї Летер'є народився 17 червня 1973 року в Парижі. Його батько — кінорежисер Франсуа Летер'є, а мати — костюмерка Катерін Летер'є (в дівоцтві — Фабіус).
Луї Летер'є є небожем французького політика Лорана Фабіуса. У підлітковому віці був ударником в одному з гуртів, але потім зацікавився кіно й почав знімати експериментальні короткометражні стрічки. У 18 років поїхав на навчання до США, де вступив до Мистецької школи Тіш при Нью-Йоркському університеті.
1997 року працював асистентом режисера Жана-П'єра Жене на зйомках фільму Чужий: Воскресіння. Повернувшись до Франції, працював з Люком Бессоном. Повернувшись до Франції, він працював з Люком Бессоном над виробництвом рекламних роликів для Club Internet та L'Oréal, а також над фільмом «Жанна д'Арк». Як другий помічник режисера він співпрацював із Аленом Шаба у постановці фільму «Астерікс і Обелікс: Місія Клеопатра» (2002).
Того ж 2002 року Луї Летер'є зняв бойовик «Перевізник» за участю Джейсона Сейтема. Хоча американський реліз зазначає його як художнього керівника, а Корі Юена — як режисера, титри європейського випуску подають його як режисера, а Юена — режисером зйомок. Пізніше Летер'є увійшов до так званої «стайні Бессона» — групи режисерів, що працюють над фільмами, створеними Люком Бессоном або пов'язані з ним, — разом із Крісом Наоном та П'єром Морелем. Фільм «Денні — пес» про бойові мистецтва став його сольним дебютним повнометражним фільмом (2004). Потім Люк Бессон довірив йому зйомки Перевізника 2, які проходили того ж разу в Маямі.
2008 року в рамках хвилі французьких режисерів, зайнятих у Голлівуді, він зняв свій перший американський великобюджетний фільм «Неймовірний Халк». Наступний його проект — римейк «Битви титанів» 1981 року, який випустив Warner Bros., вийшов 2 квітня 2010 року. Летер'є заявляв, що хотів би створити франшизу "Битви титанів ", якщо останній фільм виявиться успішним. Проте у червні 2010 року режисером продовження став Джонатан Лібесман, а участь Летер'є у майбутніх фільмах стала малоймовірною.
Летер'є був також режисером шпигунського комедійного фільму «Брати з Ґрімзбі» (2016) за сценарієм Саши Барона Коена, який також зіграв у цьому фільмі головну роль У березні 2015 року Deadline Hollywood повідомив, що Летер'є веде переговори про свою участь як режисера у трилері-фільмі "У глибині "для Sony Pictures Entertainment. Проте 3 червня 2015 року TheWrap повідомив, що Летер'є покинув фільм через творчі розбіжності та зменшення раніше заявленого бюджету.
2019 року Летер'є виступив режисером першого сезону серіалу Темний кристал: Доба опору для Netflix, що є приквелом до Темного кристала, і складається з десяти годинних епізодів.
2021 року на Netflix вийшов новий серіал «Люпен» за мотивами романів Моріса Леблана, в якому Летер'є був режисером перших трьох епізодів.
Одружений, має одну доньку.
