A délnyugat-franciaországi Piolenc-ban született, apja jómódú iparos volt. Jean-Louis jogi tanulmányait félbehagyva húszévesen Párizsba ment, hogy színész lehessen, nemzedékének legtöbb tagjához hasonlóan az ő bálványa is Gérard Philipe volt. A tanoda elvégzése után, 1951-től kapott színházi szerepeket, s bár kezdetben tehetségtelennek tartották, szuggesztív játéka hamar elhallgattatta kritikusait.

A kamera elé 1955-ben Brigitte Bardot partnereként állt először, Roger Vadim És az Isten megteremtette a nőt című, annak idején hatalmas botrányt kavart filmjében. Három év önkéntes katonaság után 1959-ben ismét Vadim rendezte a Veszedelmes viszonyokban, majd több olasz produkcióban szerepelt, ezek közül a legismertebb az 1962-ben készült Előzés, amelyben Vittorio Gasmannal játszott együtt.

A nagyközönség rajongását Claude Lelouch 1966-os, a cannes-i Arany Pálmát, a Golden Globe-díjat és a legjobb idegen nyelvű filmnek járó Oscar-díjat elnyert Egy férfi és egy nő című bestsellerének férfijaként érdemelte ki, partnerét Anouk Aimée alakította. Az autóversenyzőt megformáló Trintignant maga is rajongója a sportnak, több versenyen is indult.

Természetesen a film 1986-os folytatásában is szerepelt (Egy férfi és egy nő 20 év múlva), ez azonban üzleti és művészi szempontból egyaránt tévedésnek bizonyult. 1968-ban a Berlinálén a legjobb férfi főszereplőnek járó díjat kapta Alain Robbe-Grillet A férfi, aki hazudik című filmjében nyújtott alakításáért. A kritikusok elismerését következő két filmjével is kivívta: Costa-Gavras Z, avagy egy politikai gyilkosság anatómiája című alkotásában hitelesen személyesített meg egy fiatal vizsgálóbírót, s játékáért a cannes-i filmfesztiválon elnyerte a legjobb férfi alakítás díját, remekelt Eric Rohmer Éjszakám Maudnál című produkciójában is.

Pályája során rendszeresen vállalt színpadi szerepeket, s visszatérő műfaja volt a versmondás. Legnagyobb színpadi alakítása a Hamlet volt, a dán királyfit 1960-ban és 1970-ben is eljátszotta.

Felesége, Nadine Trintignant rendezte a Szerelmem... szerelmem című filmben, s ő maga is megpróbálkozott a rendezéssel, nem is sikertelenül (Egy jól eltöltött nap, Az úszómester). Színészként aratott elismerést a Bernardo Bertolucci rendezte, Alberto Moravia regényét feldolgozó A megalkuvóban (1970), akárcsak a Dino Buzzati művének adaptációjából készült Tatárpusztában (1976), az Ettore Scola által készített A teraszban (1980). Szerepelt Francois Truffaut utolsó filmjében, a Végre vasárnap! (1983) című alkotásban és Bertrand Blier Kösz, megvagyok című mozijában. A lengyel Krzysztof Kieslowski Három szín trilógiájának befejező darabjában, a Pirosban (1994) nyújtott teljesítményét - egy nyugdíjas bírót játszott - a kritika osztatlan elismeréssel fogadta. Magyar vonatkozású filmje is van, Szabó László rendezte 1984-ben a Sortűz egy fekete bivalyért című alkotásban.

2012-ben, tizennégy év szünet után már több mint 80 évesen szakította meg nyugdíjas éveit Michael Haneke Szerelem című filmje kedvéért, melyet az osztrák rendező kifejezetten neki írt. Megrendítően szép alakításáért megkapta az Oscar-díj francia megfelelőjét, a César-díjat, valamint az Európai Filmdíjat. Az alkotás elnyerte a cannes-i filmfesztiválon az Arany Pálmát, valamint a legjobb idegen nyelvű filmnek járó Oscar-díjat.

A törékeny alkatú színész alakításait gyöngéd udvariasság és váratlan kíméletlenség jellemezi. A gyenge jellemeket - elvetemült gyilkosokat, féltékeny férjeket, félénk homoszexuálisokat vagy nevetséges nyárspolgárokat - visszafogottan, sohasem harsány eszközökkel jelenítette meg. Kiválóan értett ahhoz, hogy a karakterek sötét vonásait, a nyers erőszakot és a szívtelenséget ábrázolja. "A színész üres papírlap, amelyre festékkel írnak" - mondta egyszer.

Lánya, Marie Trintignant már tizenhét évesen szerepelt apjával A teraszban, később saját jogán is elismert színésznőként közös Apollinaire-esteket tartottak. 2002-ben még együtt játszottak a Janis és John című komédiában, de Marie-t a következő évben egy veszekedés során barátja, Bertrand Cantat ismert francia rockénekes olyan súlyosan bántalmazta, hogy belehalt sérüléseibe.

A színész 2013-ban bejelentette, hogy végleg visszavonul, a Riviérán található Antibes város Anthea nevű színházában szavalóesttel búcsúzott a közönségtől. 2017-ben egy interjúban nyilvánosságra hozta, hogy rákbetegségben szenved, ugyanabban az évben Michael Haneke Happy End című drámájában az egyik főszerepet alakította Isabelle Huppert oldalán. A francia filmlegenda, aki pályája során több mint 150 film elkészítésében vett részt, a következő évben bejelentette, hogy nem filmez többé. Claude Lelouch-nak azonban nem tudott nemet mondani, amikor több mint fél évszázaddal az Egy férfi és egy nő bemutatója után a rendező az eredeti alkotásban szereplő színészekkel elkészítette a legendás film újabb folytatását - a nosztalgikus hangvételű Egy élet legszebb éveit eredeti helyszíneken, az észak-franciaországi tengerparton, Deauville-ben forgatták.