Louis Leterrier est le fils du réalisateur François Leterrier et de la costumière Catherine Leterrier (la sœur de Laurent Fabius). Avant de devenir lui-même réalisateur, Louis exerce un temps le métier de batteur, dans un groupe de musique. A dix-huit ans, il part suivre des cours à la Tisch School of the Arts de l'Université de New-York.
Il commence en temps qu'assistant réalisateur, pour Jean-Pierre Jeunet sur Alien, la résurrection, Alain Chabat sur Astérix & Obélix: Mission Cléopâtre, puis Luc Besson sur des publicités. Ce dernier l'embauche pour coréaliser (avec Corey Yuen) le transporteur. Suivent, toujours pour Besson, Danny the dog et le transporteur 2.
En 2008, il réalise son premier film hollywoodien, L'Incroyable Hulk. Puis en 2010 il tourne le remake du classique de Desmond Davis, Le Choc des Titans.