Jean-Louis Trintignant voit le jour le 11 décembre 1930 à Piolenc dans le Vaucluse. Il est le fils de Raoul Trintignant, industriel et élu de Pont-Saint-Esprit dans le Gard. Etudiant en droit à l'université d'Aix-en-Provence, il bifurque vers le théâtre à l'âge de 19 ans après avoir assisté à une représentation de L'Avare par la troupe de Charles Dullin. Au début des années 50, il décide de quitter sa région natale et de prendre des cours d'art dramatique à Paris. Parallèlement, il s'inscrit à l'Institut des Hautes études cinématographiques (IDHEC), afin suivre des cours de metteur en scène.
Jeune comédien timide, il fait ses débuts au théâtre en 1951, à l'affiche de la pièce A chacun selon sa faim, au sein de la troupe Raymond Hermantier. Après les planches, il écume les castings afin de trouver des rôles au cinéma sur les conseils de son agent. En 1956, après quelques rôles passés inaperçus, il décroche le rôle principal dans Et Dieu…créa la femme de Roger Vadim et acquiert une notoriété immédiate et internationale aux côtés de sa partenaire Brigitte Bardot. La reconnaissance est de courte durée, le service militaire qui le conduit en Allemagne puis en Algérie, l'éloigne des plateaux. L'acteur ne fait pas partie alors des débuts de la Nouvelle Vague. Il pense arrêter le cinéma, et devient photographe notamment pour l'Express avec lequel il collabore pendant deux ans. C'est sa rencontre avec le metteur en scène Maurice Jacquemont qui lui remet le pied à l'étrier. Il accepte d'interpréter Hamlet au théâtre et retrouve Roger Vadim au cinéma avec Les liaisons dangereuses (1959).
Durant la décennie 60, il tourne presque autant en France qu'en Italie où l'acteur a beaucoup de succès (Eté violent, Le fanfaron, Il Successo, Meurtre à l'italienne…). Des années plus tard, il décline pourtant plusieurs propositions de cinéastes américains comme Steven Spielberg (Rencontres du troisième type) ou Francis Ford Coppola (Apocalypse now). En 1966, la consécration arrive avec Un homme et une femme de Claude Lelouch, qui rafle la Palme d'or au Festival de Cannes et propulse l'acteur sur le devant de la scène. En 1969, il tourne Ma nuit chez Maud sous la direction d'Eric Rohmer. L'acteur s'applique à ne pas s'enfermer dans un registre et interprète des rôles très variés dans les années 70 (L'attentat, Le train, L'argent des autres, Flic story…). Durant cette décennie, il passe également derrière la caméra à deux reprises (Une journée bien remplie en 1973 et Le maître-nageur en 1979) mais les films sont des échecs commerciaux.
Au début des années 80, il multiplie les collaborations prestigieuses; Claude Berri (Je vous aime), Michel Deville (Eaux profondes), François Truffaut (Vivement dimanche !). Mais l'acteur, dorénavant installé à Uzès, souhaite ralentir peu à peu le rythme des tournages. En 1986, il scelle ses retrouvailles avec Claude Lelouch pour donner une suite au film qui l'a rendu célèbre, Un homme et une femme : 20 ans déjà. Il choisit ses rôles avec parcimonie, et revient à l'affiche de Merci la vie (1991), Trois couleurs : rouge (1994) ou encore Un héros très discret (1996). En 2005, il présente son spectacle Jean-Louis Trintignant lit Apollinaire dans la cour d'honneur du Palais des Papes lors du Festival d'Avignon. En 2012, après seize ans d'absence, il revient à l'affiche du film de Michael Haneke, Amour, qui emporte la palme d'or au Festival de Cannes. En 2016, Michael Haneke lui propose de se lancer dans une nouvelle aventure avec le tournage du film Happy end aux côtés d'Isabelle Huppert.
Féru de sport automobile depuis sa jeunesse, il assiste au sacre de son oncle Maurice Trintignant en mai 1955 lorsque celui-ci remporte le Grand Prix de Monaco. Plus tard, il pratique également la course automobile. A la fin des années 70, il met sa carrière d'acteur entre parenthèses pour se consacrer à sa passion. Il fait partie de l'équipe du Star Racing Team composée de Guy Marchand, Claude Brasseur ou encore Eddy Vartan, et participe à plusieurs rallyes. Dans les années 90, l'acteur consacre son temps à une autre marotte et devient producteur de vin. Il achète le domaine viticole Rouge Garance situé près de Nîmes en 1996.
Le 17 juin 2022, Jean-Louis Trintignant meurt à l'âge de 91 ans.
Côté vie privée, Jean-Louis Trintignant a été marié à trois reprises. En 1954, il épouse l'actrice Stéphane Audran dont il divorce deux ans plus tard. Puis il épouse en secondes noces la réalisatrice Nadine Marquand en 1961. Le couple a eu trois enfants; Marie Trintignant (1962–2003), Pauline Trintignant (1969–1970) et Vincent Trintignant (né en 1973). En 2000, il se remarie avec Marianne Hoepfner, ancienne pilote de rallye.
