Avec le réalisateur Jacques Doillon pour père et la chanteuse-actrice Jane Birkin comme mère, le chemin de Lou Doillon est rapidement défini : elle sera comédienne. Découverte par le grand public en 1997, dans "Trop Peu d'Amour" que réalise Jacques Doillon, elle poursuit ses débuts cinématographiques avec "Mauvaises Fréquentations" l'année suivante.

Le tournant de sa carrière survient avec "Carrément à l'Ouest" en 2000 et la jeune femme se voit attribuer un rôle dans la comédie du "Bronzé" Michel Blanc, "Embrassez qui vous voudrez" (2002). Son premier rôle principal est celui de "Blanche" cette même année, un film de cape et d'épée dans lequel elle interprète une jeune fille qui, témoin du meurtre de ses parents, se met alors en quête de vengeance.

D'une capacité étonnante à changer de personnage, Lou Doillon alterne les genres, allant du fantastique ("Saint-Ange", 2004) à la comédie ("Boxes", 2007), en passant parle thriller ("Sisters", 2006).

Dans son dernier film, "Gigola" (2011), elle incarne une prostituée aux allures masculines, qui tombe dans une spirale d'autodestruction suite au suicide de son premier amour adolescent.