Actrice, mannequin et animatrice de télévision française, Louise Bourgoin a étudié aux Beaux-Arts de Rennes pour devenir professeure d’art plastique. Après son échec au CAPES, elle décide de partir à Paris et va percer à la télévision. Elle devient notamment Miss météo sur Canal+ de 2006 à 2008. C’est lors d’une émission où Fabrice Luchini est invité que ce dernier lui propose de passer le casting de La fille de Monaco (Fontaine, 2008).
La jeune fille s’exécute et remporte le rôle dans ce polar à succès. On retrouve ensuite Louise Bourgoin dans Le petit Nicolas (Tirard, 2009) et le polar Blanc comme neige (Blanc, 2010), mais elle est surtout la tête d’affiche de la grosse production Besson Les aventures extraordinaires d’Adèle Blanc-Sec (Besson, 2010). Si le métrage est loin d’être formidable, il glane tout de même 1,6 million de spectateurs.
L’actrice séduit encore dans L’autre monde (Marchand, 2010), Un heureux événement (Bezançon, 2011) et L’amour dure trois ans (Beigbeder, 2011). Enfin, on la revoit aux côtés d’Isabelle Huppert dans La religieuse (Nicloux, 2013) et Tirez la langue, Mademoiselle (Ropert, 2013). Dès lors l’actrice tente une carrière internationale avec Duo d’escrocs (Hopkins, 2013) et Mojave (Monahan, 2015) sans grand succès.
On la préfère dans Je suis un soldat (Larivière, 2015) et Les chevaliers blancs (Lafosse, 2015). Ces dernières années, elle se consacre surtout à des comédies romantiques peu ambitieuses et l’on ne sauvera d’un ensemble terne que le drame L’enfant rêvé (Jacoulot, 2020) qui a subi de plein fouet la crise de la Covid-19. Depuis 2018, l’actrice joue également dans la série télévisée Hippocrate.
En 2023, Louise Bourgoin réalise un vrai retour au cinéma et apparaît dans quatre longs métrages, dont le conte poético-fantastique La montagne de Thomas Salvador, Anti-squat de Nicolas Silhol, et Un métier sérieux de Thomas Lilti.