Louis Le Vau nació en París, hijo de un maestro masón del mismo nombre. En 1639 era un arquitecto de éxito cuyos intereses se centraban en el desarrollo de île Saint-Louis como una zona residencial. Allí diseñó casas de pueblo para varios clientes adinerados, incluidos Sainctot, Hesselin, Gillier, Gruyn des Bordes y Jean Baptiste Lambert. El Hôtel Lambert revela que el arquitecto es un brillante innovador en la adaptación de un plan imaginativo a un sitio altamente irregular. También diseñó residencias rurales. Antes de 1645 construyó el castillo de Livry, más tarde llamado Le Raincy (destruido en la Revolución Francesa).

En 1654, con su nombramiento como primer arquitecto del rey, Le Vau fue catapultado al centro de atención. Tres años más tarde recibió de Nicolas Fouquet el importante encargo del castillo de Vaux-le-Vicomte. El edificio y su complejo de jardines brillaron en esplendor con respecto a todos los demás del día. La agrupación y los contrastes de forma dentro de las masas pesadas del edificio, de escala monumental, aseguran un efecto visual impresionante. En general, Le Vau estaba más interesado en un efecto global de grandiosidad que en aplicar correctamente el lenguaje clásico a los problemas estructurales.

Particularmente notable en Vaux es el gran salón central ovalado que da a los jardines; representa la culminación de una idea novedosa empleada en Le Raincy, donde una forma similar gobernaba la forma de la sección principal del edificio. Le Vau colaboró estrechamente en Vaux con el pintor y decorador Charles Le Brun y el arquitecto paisajista André Le Nôtre.

Durante la década de 1660, Le Vau estuvo ocupado en gran medida con proyectos reales. En su calidad de primer arquitecto, hizo adiciones al castillo de Vincennes, diseñó el hospital de La Salpêtrière, reelaboró la fachada de las Tullerías, reconstruyó la Galerie d’Apollon del Louvre, que había sido destruida por un incendio en 1661, y diseñó y erigió el nuevo ala sur del Louvre. También ejecutó un plan para un ala adicional para el Louvre frente a St-Germain-I’Auxerrois, pero fue rechazado por Jean Baptiste Colbert; el diseño final de esta fachada (la Columnata) parece haber sido un esfuerzo de colaboración de Le Vau, Le Brun y Claude Perrault.

Desde 1661 hasta su muerte, Le Vau trabajó esporádicamente en Versalles. Inicialmente su trabajo se limitó a alterar el castillo construido por Luis XIII en 1624. Más tarde añadió el servicio de los Iwings a los lados de la explanada, y después de 1668 creó su famoso «sobre», que cubría completamente la fachada del jardín de la estructura más antigua con un magnífico vestido clásico a escala monumental. La gran escalera, o Escalier des Ambassadeurs, diseñada por Le Vau, fue construida después de su muerte por François d’Orbay, colaborador constante de Le Vau. La escalera (destruida en el siglo XVIII) fue considerada una de las más impresionantes de Europa. El esquema decorativo fue planeado por Le Brun.

Una de las contribuciones más duraderas de Le Vau fue su diseño (década de 1660) para el Collège des Quatre Nations (hoy Instituto de Francia) en París. Ejecutado después de su muerte por D’Orbay, es único en Francia al incorporar en su planta y alzado muchos de los principios de la arquitectura barroca romana practicados por Pietro da Cortona y Francesco Borromini. El diseño refleja la búsqueda constante de Le Vau por la grandeza visual.