Fiatalkora. Broglie egy francia arisztokrata második fia volt. A család egy normandiai kisváros nevét viseli. A XVII. század óta magas rangú katonák, politikusok és diplomaták kerültek ki a de Broglie-k közül. Amikor Louis de Broglie a tudományt választotta hivatásául, szakított a családi hagyománnyal, akárcsak bátyja, Maurice (halála után tőle örökölte a hercegi címet). Maurice szintén fizikus volt, jelentősen hozzájárult az atommag kísérleti tanulmányozásához, s a család párizsi palotájában jól felszerelt laboratóriumot tartott fenn. Louis időnként együtt dolgozott a bátyjával, de őt a fizika tisztán elméleti oldala vonzotta. Így jellemezte magát: "sokkal inkább úgy gondolkodom, mint a tisztán elméleti emberek, nem pedig mint a kísérletező tudósok vagy a mérnökök, s különösen az átfogó és filozofikus látásmódot szeretem..." Ritkán került kapcsolatba a fizika technikai oldalával - például az I. világháború alatt, amikor katonai szolgálatát az Eiffel-toronyban elhelyezett rádióállomáson teljesítette.
Bátyjától hallott Max Planck és Albert Einstein német fizikusok munkáiról, ez keltette fel az érdeklődését - ahogyan ő mondta - az atomfizika "misztériumai", vagyis a tudomány megoldatlan elvi problémái iránt. 18 évesen kezdett elméleti fizikát tanulni a Sorbonne-on, de 1909-ben történelemből is diplomát szerzett, így a családi hagyományt követve haladt a diplomáciai pálya felé. Nem csekély konfliktusok után végül is nem fogadta el a francia történelemből számára kijelölt kutatási tervet, s doktori értekezése tárgyául fizikai témát választott.
Az elektronhullámok elmélete. Broglie 1924-ben, doktori értekezésében fejtette ki forradalmi elméletét az elektronhullámokról, amelyet korábban tudományos folyóiratokban is közölt. Elgondolása, mely szerint az anyagnak atomi méretekben hullámtulajdonságai vannak, Albert Einstein egyik 20 évvel korábbi javaslatán alapult. Einstein vetette fel ugyanis, hogy a rövid hullámhosszú fény bizonyos körülmények között úgy viselkedik, mintha részecskékből állna - ezt kísérletileg 1923-ban igazolták is. Tudományos körökben még éppen csak kezdték elfogadni a fény kettős természetének elvét, amikor Broglie már kiterjesztette e kettős jelleget az anyagra.
Broglie ötlete választ adott még egy kérdésre. Ez ama számítások során merült fel, amelyeket az elektronok atomon belüli mozgásával kapcsolatban végeztek. A kísérletek azt mutatták, hogy az elektronnak a mag körül kell keringenie, s azt is, hogy - akkor még fel nem ismert okból - e mozgásnak korlátai vannak. Broglie elgondolása, a hullámtulajdonságú elektron magyarázatot adott a korlátozott mozgásra. A magtöltés által határok közé zárt hullám nem vehet fel akármilyen alakot, így mozgása sem tetszőleges, az atomi határok közé nem illő hullámalakok interferálnak önmagukkal és kioltódnak. 1923-ban, amikor Broglie közölte elképzelését, semmilyen kísérleti bizonyíték sem volt arra, hogy az elektron - amelynek részecsketulajdonságait kísérletileg már igazolták - bizonyos körülmények között úgy viselkedhet, mintha sugárzó energia volna. Broglie javaslata, amely egyetlen nagyobb hozzájárulása volt a fizikához, az intuíció diadala.
Broglie "anyaghullám"-elképzelésének első közzététele kevés érdeklődést keltett fizikus körökben, de doktori értekezésének egy példánya Albert Einstein kezébe került, aki lelkesen fogadta. Einstein hangsúlyozta Broglie munkájának fontosságát, és épített is rá. Így Erwin Schrödinger osztrák fizikus is értesült a feltételezett hullámokról, erre az elgondolásra alapozva dolgozta ki a hullámmechanikát, azt a matematikai rendszert, amely a fizika fontos eszközévé vált. Ám csak 1927-ben találták meg az elektron hullámtermészetének első kísérleti bizonyítékait - Clinton Davisson és Lester Germer az Egyesült Államokban, ill. George Thomson Skóciában.
Későbbi életútja és írásai. A doktorátus megszerzése után Broglie a Sorbonne-on maradt, 1928-ban az elméleti fizika professzora lett az újonnan alapított Henri Poincaré Intézetben, itt tanított 1962-es visszavonulásáig. 1945 után a Francia Atomenergia Hatóság tanácsadójaként is működött.
A Nobel-díj elnyerése mellett Broglie 1952-ben megkapta az Egyesült Nemzetek Gazdasági és Szociális Tanácsa által odaítélt Kalinga-díjat tudománynépszerűsítő műveiért. A brit Royal Society külföldi tagja, a Francia Tudományos Akadémia tagja volt, és sok őséhez hasonlóan az Académie Française (Francia Akadémia) is tagjává választotta.
Broglie élénken érdeklődött a modern fizika filozófiai vonatkozásai iránt, ez fejeződött ki előadásaiban, cikkeiben és könyveiben. Elsősorban arra a kérdésre keresett választ, hogy az atomfizikában alapvető statisztikus megfontolások vajon a mélyebben fekvő okok elhanyagolását jelentik-e, vagy leírnak minden megismerhetőt. Ha az utóbbi eset áll fenn, akkor a mérés hat a megmértre, és elválaszthatatlan attól. 1923-as műve után Broglie mintegy három évtizedig azt a nézetet vallotta, hogy a mélyebb okok nem írhatók le a véglegesség igényével, de az idő múlásával visszatért korábbi felfogásához, mely szerint a statisztikus elméletek elrejtik "a teljesen meghatározott és felderíthető valóságot a kísérleti módszerek számára megfoghatatlan változók mögé."