La piccola Luisa venne al mondo il 12 agosto 1591 a Parigi da madre ignota. Tuttavia, in un atto notarile redatto tre giorni dopo la sua nascita della bambina, Luigi I di Marillac, nobile originario dell'Alvernia, la riconobbe come sua "figlia naturale", concedendole oltre al nome anche una rendita finanziaria.

Secondo alcune fonti però, Luigi non era il vero padre della bambina, e l'avrebbe riconosciuta solo per evitare uno scandalo a un altro membro della famiglia. La tesi parrebbe avvalorata dal fatto che, quando qualche anno dopo lo stesso Luigi si sposò, non prese la bambina a vivere con sé, ma la fece entrare a pensione nel monastero reale di San Luigi di Poissy.

Qui, sotto la guida delle suore domenicane, iniziò la sua formazione scolastica e religiosa, raggiungendo in breve una solida formazione umanistica. Fu in questo periodo che Luisa ebbe modo di conoscere le opere di santa Caterina, che ispireranno in seguito molti suoi scritti spirituali.

Trasferitasi a Parigi, la giovane Luisa si avvicinò alle suore cappuccine del Quartiere Saint-Honoré, e, pensando di diventare essa stessa una "Figlia della Croce", fece voto di servire Dio ed il prossimo. Fu però uno dei suoi padri spirituali, Charles Bochard de Champigny, all'epoca provinciale dei Cappuccini, a sconsigliarla, adducendo a motivo la sua debole costituzione e assicurandole che Dio aveva "altri progetti" nei suoi confronti.

Anche Michele di Marillac (suo tutore dopo la morte di Luigi) aveva però i suoi progetti, e vedendo in lei un ottimo mezzo per avvicinarsi ai potenti di Parigi, le combinò nel 1613 un matrimonio col segretario particolare di Maria dei Medici, Antoine LeGras. Da lui Luisa ebbe un figlio, ma la sua felicità coniugale, tormentata dal rimorso di aver tradito la sua promessa di prendere i voti. fu di breve durata. Nel 1619 infatti Antoine si ammalò di tubercolosi, malattia che lo condusse alla morte sei anni dopo.

In questo periodo, pur dedicandosi amorevolmente alle cure del marito, non cessò di pensare alla sua vocazione. La sua riflessione culminò nel 1623 in quella che lei definì la sua illuminazione: "Compresi che sarebbe venuto un tempo in cui sarei stata nella condizione di fare i tre voti di povertà, castità e obbedienza... Compresi che doveva essere in un luogo per soccorrere il prossimo, ma non riuscivo a capire come ciò si potesse fare..."

La risposta a questo suo dubbio venne solo un anno dopo, nel 1624, quando ebbe l'incontro decisivo e provvidenziale per la sua vita, quello con Vincenzo de' Paoli. La malattia del marito intanto continuava e Luisa lo assistette con molta più dedizione e tenerezza di prima, per altri due anni, rimanendogli accanto fino alla morte.

A partire dal 1626, sotto la guida spirituale di Vincenzo de' Paoli, Luisa iniziò la sua attività con le Dame di Carità, donne nobili o appartenenti all'alta borghesia impegnate nell'assistenza materiale e spirituale dei bisognosi di Parigi, divenendo ben presto il punto di riferimento delle loro attività.

Già nel 1633 quattro ragazze si riunirono attorno a Luisa di Marillac per condurre vita fraterna in comunità nella sua casa, ma Luisa non aveva dimenticato il suo antico voto, e il 25 marzo 1642, insieme alle sue compagne, prese i tre voti di povertà, obbedienza e castità più un quarto, specifico della compagnia, di servire i poveri.

Nacque così la Compagnia delle Figlie di Carità, le famose suore grigie (dal colore del loro saio) che tanto care furono a Napoleone Bonaparte. Sotto il motto "La carità di Gesù Crocifisso ci stimola" esse si dedicavano all'educazione dei trovatelli, alle cure domiciliari o ospedaliere dei malati, all'assistenza dei carcerati, vivendo in comunità o prendendo alloggio laddove ci fosse bisogna della loro opera.

Questa attività assorbì totalmente Luisa fino alla morte, avvenuta il 15 marzo del 1660. Sepolta inizialmente nella chiesa di Saint-Laurent, a Parigi, la sua salma fu in seguito traslata nella cappella della casa madre dell'ordine che lei stessa aveva contribuito a fondare.

Dopo la sua canonizzazione, avvenuta nel 1934 ad opera di Pio XI, Giovanni XXIII la proclamò nel 1960, a 300 anni dalla sua morte, patrona delle opere sociali.