Fille du réalisateur Jacques Doillon et de l'actrice Jane Birkin, elle a quatre demi-sœurs Charlotte Gainsbourg et Kate Barry du côté de sa mère, et Lola Doillon et Lili Doillon, du côté de son père. Elle a un fils, Marlowe Jack Tiger, né le 12 juillet 2002.

En parallèle de sa carrière d'actrice, elle poursuit également, et avec succès, une carrière de mannequin. Elle fut l'égérie de Givenchy, mais aussi de Morgan et pose pour la collection de vêtements que cette dernière réalise pour MANGO. Lou Doillon  a collaboré avec des marques comme Vanessa Bruno, La Redoute, H&M, ou Hogan by Karl Lagerfeld.