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 pedig az ő bálványa is Gérard Philipe volt. Tanulmányai 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 a szintén Vadim rendezte 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 is elnyert Egy férfi és egy nő című alkotás férfi főszereplőjeként 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, így játékáért a cannes-i filmfesztiválon elnyerte a legjobb férfi alakítás díját, valamint remekelt Eric Rohmer Éjszakám Maudnál című produkciójában is.
Pályája során rendszeresen vállalt színpadi szerepeket, visszatérő műfaja volt a versmondás. Legnagyobb színpadi alakítása a Hamlet volt, a címszerepet 1960-ban és 1970-ben is eljátszotta.
Felesége, Nadine Trintignant rendezőként dolgozott vele a Szerelmem... szerelmem című filmben és ő maga is megpróbálkozott a rendezéssel, nem is sikertelenül (Egy jól eltöltött nap, Az úszómester). Színészként további sikereket ért el a Bernardo Bertolucci rendezte, Alberto Moravia regényét feldolgozó A megalkuvóban (1970), a Dino Buzzati művének adaptációjából készült Tatárpusztában (1976) és 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 is. 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, játszott a Szabó László rendezte a Sortűz egy fekete bivalyért (1984) című alkotásban.
2012-ben, tizennégy év szünet után szakította meg nyugdíjas éveit Michael Haneke Szerelem című filmje kedvéért, amelyet 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 is.
A törékeny alkatú színész alakításait gyöngéd udvariasság és váratlan kíméletlenség jellemzi. 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, 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 visszavonul, a Riviérán található Antibes város Anthea nevű színházában szavalóesttel búcsúzott közönségtől. 2017-ben egy interjúban nyilvánosságra hozta, hogy rákos megbetegedésben szenved, de ugyanabban az évben Michael Haneke Happy End című drámájában még elvállalta az egyik főszerepet Isabelle Huppert oldalán. A francia filmlegenda, aki pályája során több mint 150 film elkészítésében vett részt, a következő évben ismét 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.
