A 15 ans, Louise Monot remporte un concours de mannequins, celui du magazine 20 ans. Elle devient très vite l'éffigie de la marque Bourgeois. A 17 ans, elle obtient son premier rôle à la télévision dans la série Cordier juge et flic. Puis, elle jouera dans une dizaine d'épisodes de la série La Vie devant nous. Elle joue ensuite dans plusieurs téléfilms, et apparaît en invitée dans de nombreuses séries françaises.
En 2003, elle fait partie du casting du téléfilm Le Bleu de l'océan, et en 2004 elle joue dans nos vies rêvées, où elle incarne deux rôles (celui de la mère et de la fille). Elle se fait saluer par la critique en 2005 dans Un amour à taire, aux côtés de Jérémie Rénier. 2005 est aussi l'année où elle commence une carrière théâtrale.
En 2007, elle joue dans une autre grande saga de l'été, La Prophétie d'Avignon, et en 2008, toujours dans le cadre des sagas estivales, dans Béthune sur Nil.
Au cinéma, sa carrière débute en 2006 avec le film Hell, aux côtés de Sara Forestier et Nicolas Duvauchelle. La même année elle côtoie Alain Chabat et Charlotte Gainsbourg dans Prête-moi ta main.
En 2008, elle joue dans MR 73 d' Olivier Marchal. en 2009, elle tient le premier rôle féminin de la comédie OSS 117 : Rio ne répond plus, face à Jean Dujardin, un acteur qu'elle retrouvera en 2010 dans les petits mouchoirs de Guillaume Canet.