Louis-Victor de Broglie, viertes Kind von Victor, Herzog von Broglie, und Pauline d'Armaillé, wurde 1892 in Dieppe (Normandie) geboren. Er besuchte das Lycée Janson de Sailly in Paris.

Während seines Studiums and der Pariser Sorbonne befasste er sich zunächst mit der Philosophie und der Geschichte, insbesondere mit Rechtsgeschichte und politischer Geschichte des Mittelalters. Nebenbei las er Werke von Henri Poincaré wie z. B. Wissenschaft und Hypothese und Der Wert der Wissenschaft. 1910 schloss er sein erstes Studium mit dem Lizenziat ab.

Auf Anregung seines siebzehn Jahre älteren Bruders Maurice, einem promovierten Physiker, studierte Louis de Broglie ab 1911 Mathematik und Physik. Maurice, der sich nach dem Tode des Vaters 1906 um Erziehung und Entwicklung seines jüngeren Bruders gekümmert hatte, versorgte Louis nun mit den Texten der Referate und Diskussionen des ersten Solvay-Kongresses, der 1911 in Brüssel stattfand. Durch diese Aufzeichnungen kam Louis de Broglie das erste Mal in intensiven Kontakt mit der Quantenphysik, die sein späteres physikalisches Schaffen prägen sollte.

Durch den Ersten Weltkrieg musste de Broglie sein Studium mehrere Jahre unterbrechen. Er wurde Nachrichtenoffizier und verbrachte die längste Zeit in der funktelegraphischen Station des Eiffelturms. Während seines Militärdienstes befasste sich de Broglie mit der Elektrotechnik und dem Nachrichtenwesen sowie mit der Ausbildung von elektrotechnischem Personal.

Nach der Entlassung aus dem Heeresdienst 1919 setzte de Broglie seine Studien fort und wurde Mitarbeiter im Privatlabor seines Bruders, in dem er vorrangig über Röntgenspektroskopie und den Photoeffekt arbeitete. Ende des Jahres 1923 erschienen de Broglies erste Abhandlungen zur Wellenmechanik.

1924 schloss de Broglie sein Studium mit der berühmt gewordenen Dissertation Recherches sur la théorie des Quanta ab, in der vermutete, dass der Welle-Teilchen-Dualismus auf jegliche feste Materie anzuwenden sei. Diese kühne Idee wurde 1926 und 1927 vom Institut de France ausgezeichnet. 1929 folgten für die Entdeckung der Wellennatur der Elektronen die begehrte Medaille Henri Poincaré der Académie des sciences und der Nobelpreis für Physik.

1927 war de Broglie einer der Teilnehmer des 5. Solvay-Kongresses in Brüssel. 1929 wurde er zum Professur für Theoretische Physik am Institut Henri Poincaré in Paris berufen, wechselte jedoch 1932 an die Sorbonne, wo er bis 1962 lehrte. 1933 wurde de Broglie Mitglied der Académie des sciences.

Neben seinen Arbeiten auf physikalischem Gebiet veröffentlichte de Broglie vor allem während seiner Zeit am Institut Henri Poincaré einige philosophische und problemgeschichtliche Aufsätze. 1938 erhielt er die Max-Planck-Medaille.

Während der Kämpfe zwischen Frankreich und Deutschland im Zweiten Weltkrieg wurde de Broglie mit der dokumentarischen Sammlung der in den USA veröffentlichten Arbeiten über Nachrichtenübertragung betraut. 1941 veröffentlichte er in diesem Zusammenhang ein Buch über Hochfrequenztechnik.

Der Patriotismus de Broglies während der deutschen Okkupation kommt in seiner Gedenkvorlesung für den französischen Gelehrten André Marie Ampère im September 1940 zum Ausdruck:

Und gerade darum ist ein großer Mann wie Ampère der Nachwelt ein leuchtendes Beispiel. – In den gegenwärtigen Zeitläufen, in denen alles die Franzosen zur Sammlung aufruft, ist es heilsam für sie, über solche Beispiele nachzusinnen. Wenn wir unsere Gedanken auf sie hinlenken, sehen wir plötzlich alle die großen Gestalten der glorreichen Vergangenheit Frankreichs vor uns auftauchen, als wollten sie und zur Hoffnung auf einen neuen Frühling und zur Arbeit aufrufen.

1944 wurde de Broglie Mitglied der Académie française.

Nach dem Zweiten Weltkrieg wurde Louis de Broglie Berater der französischen Atomenergiekommission. Durch den Tod seines Bruders Maurice war er ab 1960 der 7. Herzog von Broglie.

Louis-Victor de Broglie starb am 19. März 1987 in Louveciennes bei Paris.

In seinen frühen Forschungen, vor allem während der Arbeit im physikalischen Labor seines Bruders Maurice, beschäftigte de Broglie sich mit dem lichtelektrischen Effekt von Röntgenstrahlen. 1928 veröffentlichte er zusammen mit seinem Bruder ein Buch über Röntgenphysik. Anfang der 20er Jahre widmete er sich der Quantentheorie. Es gelang ihm, die Quantenformel Max Plancks aus der Teilchentheorie des Lichts abzuleiten.