Fille du realisateur Jacques Doillon et de l'actrice Jane Birkin, demi-sœur de Charlotte Gainsbourg et petite-fille de l'actrice Judy Campbell, qui est la mère de Jane Birkin.

Elle a un fils qui se prénomme Marlowe. Elle effectua sa scolarité au lycée Victor-Duruy.

Liste des films de Lou Doillon

1987 : Kung-Fu master, d'Agnès Varda

1998 : Trop (peu) d'amour, de Jacques Doillon

1999 : Mauvaises fréquentations, de Jean-Pierre Améris

2000 : Scénarios sur la drogue, de Guillaume Canet

2000 : Mamirolle, de Brigitte Coscas

2001 : Carrément à l'Ouest, de Jacques Doillon

2001 : Nana, d'Édouard Molinaro (TV)

2002 : Embrassez qui vous voudrez, de Michel Blanc

2002 : Blanche, de Bernie Bonvoisin

2003 : The Private Life of Samuel Pepys

2004 : Saint Ange, de Pascal Laugier

2005 : La Vida perra de Juanita Narboni, de Farida Ben Lyziad