Après avoir assisté à plusieurs représentations théâtrales, Jean-Louis Trintignant interrompt rapidement ses études de Droit pour devenir comédien. Il intègre alors les cours d'art dramatique de Charles Dullin et de Tania Balachova à Paris. Il débute au théâtre, en 1951, dans la troupe de Raymond Hermantier. Il suit aussi des cours de réalisateur à l'I.D.H.E.C.
Il débute au cinéma avec un petit rôle dans Si tous les gars du monde (Christian-Jaque, 1955). Mais c'est en jouant aux côtés de la star de l'époque Brigitte Bardot qu'il lance véritablement sa carrière : Et Dieu créa la femme (Roger Vadim, 1956), film sulfureux pour l'époque et qui suscite la polémique lui apporte d'emblée une certaine notoriété. C'est un faux départ, car sa carrière est interrompue par un très long service militaire à l'étranger, mais Vadim lui donne une occasion de se relancer avec son adaptation moderne et provocante des Liaisons dangereuses (1959). Dès lors, il interprète surtout des rôles de jeune premier tendre et romantique, avec une grande justesse. Déjà pourtant, on entrevoit sa dureté et son registre dramatique dans Le Combat dans l'île (Alain Cavalier, 1961). Il poursuit une carrière des deux côtés des Alpes avec un rôle remarqué dans Le Fanfaron de Dino Risi (1962) aux côtés d'un Vittorio Gassmann virevoltant auquel il oppose sa fraicheur. Il atteint la consécration mondiale pour son rôle de coureur automobile dans Un homme et une femme (Claude Lelouch, 1965), film récompensé par un Oscar du meilleur film étranger et du meilleur scénario original, ainsi que par la Palme d'or à Cannes. Par la suite, la fragilité laisse place à une nature plus complexe, qui exprime ses nuances dans des compositions sobres et efficaces. Sa subtilité se prête à une grande variété de rôles : après le succès de Compartiment tueurs en 1965, il retrouve Costa-Gavras pour Z et son personnage de juge inflexible en 1968. Il interprète ensuite un justicier de western dans Le Grand silence (Sergio Corbucci, 1967), le rôle titre du Conformiste (Bernardo Bertolucci, 1969), l'ingénieur catholique de Ma nuit chez Maud (Eric Rohmer, 1969). Il tourne beaucoup et sous la direction des grands réalisateurs français en vogue, de Claude Chabrol avec Les Biches (1967), à Réné Clément, en passant par Yves Boisset, Jacques Deray, Michel Deville ou encore Pierre Granier-Deferre. Il tourne également plusieurs films sous la direction de sa femme Nadine, dont Le Voleur de crimes (1968). Il signe dans les années soixante-dix deux films d'auteurs remarqués, à l'humour désenchanté : Une journée bien remplie (1972) et Le Maître nageur (1978). A partir des années quatre-vingt, Jean-Louis Trintignant se fait plus rare sur les écrans, mais continue à enchaîner des rôles marquants : pour Scola dans sa satire de l'intelligentsia Romaine dans La Terrasse (1980), pour Truffaut dans Vivement dimanche ! (1982), aux côtés de Romy Schneider, Catherine Deneuve, Fanny Ardant, Michel Serrault... Avec l'âge, il campe des personnages davantage inquiétants, misanthropes ou cyniques : Trois couleurs rouge Krzystof Kieslowski, 1993), Regarde les hommes tomber (Jacques Audiard, 1993), Ceux qui m'aiment prendront le train Patrice Chéreau, 1997). Ses derniers rôles sont des personnages plutôt secondaires mais dans des genres bien différents : en 2002, il prête sa voix au film d'animation d'Enki Bilal, Immortel ; puis il apparaît aux côtés de sa fille Marie dans Janis et John une comédie de Samuel Benchetrit. Récompensé par la Palme d'or au Festival de Cannes 2012, Amour (Michael Haneke, 2011), signe son retour à l'écran. Il incarne avec Emmanuelle Riva un couple abîmé par le temps et la maladie dans un film qui s'attaque aux grands tabous de notre temps : la déchéance, la maladie, la mort.
Jean-Louis Trintignant participe à plusieurs téléfilms dans les années quatre-vingt-dix, comme Pour un oui ou pour un non (Jacques Doillon, 1990), ou encore La controverse de Valladolid (Jean-Daniel Verhaeghe, 1992).
Il mène en parallèle une carrière théâtrale importante, marquée par de grands succès. On retiendra entre autres ses interprétations des pièces de Jean Giraudoux, La guerre de Troie n'aura pas lieu mis en scène en 1962 par Jean Vilar, de William Shakespeare, Hamlet mis en scène en 1971 par Maurice Jacquemont, de Yasmina Reza, Art (2012) ou encore d'un récital de poésies d'Apollinaire, Poèmes à Lou qu'il interprète en compagnie de sa fille Marie en 1999, puis qu'il reprend seul, en hommage à sa fille disparue.
Outre sa passion pour la poésie et en particuluer pour Prévert, Apollinaire et Aragon, il est féru de course automobile, sport qu'il pratique depuis longtemps.
En 1996, il achete le domaine viticole Rouge Garance (en hommage à Arletty) dans les Côtes du Rhône.
Courts métrages 1955 | Pichinef | Marcel Ichac |
| 1959 | Parfois le dimanche | Ado Kyrou, Raoul Sangla |
| 1962 | Chemin de la mauvaise route = Bon pour la vie civile (Le) | Jean Herman |
| 1963 | Parisienne, parisiennes | Feri Farzaneh |
| 1963 | Une foule enfin réunie | Monique Chapelle |
| 1965 | Fragilité, ton nom est femme | Nadine Trintignant |
| 1965 | Un jour à Paris | Serge Korber |
| 1985 | 15 août | Nicole Garcia |
| 1996 | Un homme est tombé dans la rue | Dominique Roulet |
| 2003 | Epreuves d'artistes | Gilles Jacob |
| 2006 | Una bella vacanza : Buon compleanno Dino Risi ! | Francesca Molteni |
| 2012 | Estate di Bruno Cortona (L') | Gloria De Antoni |
Longs métrages| 1972 | Une journée bien remplie | Jean-Louis Trintignant |
| 1978 | Maître nageur (Le) | Jean-Louis Trintignant |
| 1972 | Une journée bien remplie | Jean-Louis Trintignant |
| 1972 | Une journée bien remplie | Jean-Louis Trintignant |
| 1994 | Ernesto Che guevarra, le journal de Bolivie | Richard Dindo |
| 1955 | Si tous les gars du monde | Christian-Jaque |
| 1956 | Club de femmes | Ralph Habib |
| 1956 | Et Dieu créa la femme | Roger Vadim |
| 1956 | Loi des rues (La) | Ralph Habib |
| 1959 | Austerlitz | Abel Gance |
| 1959 | Estate violenta Eté violent | Valerio Zurlini |
| 1959 | Liaisons dangereuses 1960 (Les) | Roger Vadim |
| 1959 | Millième fenêtre (La) | Robert Ménégoz |
| 1960 | Coeur battant (Le) | Jacques Doniol-Valcroze |
| 1960 | Pleins feux sur l'assassin | Georges Franju |
| 1961 | Antinea l'amante della città sepolta L'Atlantide | Edgar G. Ulmer, Giuseppe Masini |
| 1961 | Combat dans l'île (Le) | Alain Cavalier |
| 1961 | Horace 62 | André Versini |
| 1961 | Jeu de la vérité (Le) | Robert Hossein |
| 1961 | Puits aux trois vérités (Le) | François Villiers |
| 1961 | Sept péchés capitaux : La Luxure (Les) | Jacques Demy |
| 1962 | Sorpasso (Il) Le Fanfaron | Dino Risi |
| 1963 | Château en Suède | Roger Vadim |
| 1963 | Successo (Il) [Le Succès] | Mauro Morassi, Dino Risi |
| 1964 | Bonne occase (La) | Michel Drach |
| 1964 | Compartiment tueurs | Costa-Gavras |
| 1964 | Mata Hari, agent H 21 | Jean-Louis Richard |
| 1964 | Merveilleuse Angélique | Bernard Borderie |
| 1964 | Pas perdus (Les) | Jacques Robin |
| 1964 | Viheltäjät | Eino Ruutsalo |
| 1965 | Dix-septième ciel (Le) | Serge Korber |
| 1965 | Io uccido, tu uccidi | Gianni Puccini |
| 1965 | Longue marche (La) | Alexandre Astruc |
| 1965 | Paris brûle-t-il ? | René Clément |
| 1965 | Un homme et une femme | Claude Lelouch |
| 1966 | Mon amour, mon amour | Nadine Trintignant |
| 1966 | Safari diamants | Michel Drach |
| 1966 | Trans-Europ-Express | Alain Robbe-Grillet |
| 1967 | Biches (Les) | Claude Chabrol |
| 1967 | Col cuore in gola [En cinquième vitesse] | Tinto Brass |
| 1967 | Grande silenzio (Il) Le Grand silence | Sergio Corbucci |
| 1967 | Homme qui ment (L') | Alain Robbe-Grillet |
| 1967 | Matriarca (La) L'Amour à cheval | Pasquale Festa Campanile |
| 1967 | Morte ha fatto l'uovo (La) Mort a pondu un oeuf | Giulio Questi |
| 1967 | Un homme à abattre | Philippe Condroyer |
| 1968 | Metti, una sera a cena Disons, un soir à dîner | Giuseppe Patroni Griffi |
| 1968 | Voleur de crimes (Le) | Nadine Trintignant |
| 1968 | Z | Costa-Gavras |
| 1969 | Afyun wal asa (Al) L'Opium et le bâton | Ahmed Rachedi |
| 1969 | Américain (L') | Marcel Bozzuffi |
| 1969 | Conformista (Il) Le Conformiste | Bernardo Bertolucci |
| 1969 | Così dolce... così perversa Si douces, si perverses | Umberto Lenzi |
| 1969 | Ma nuit chez Maud | Eric Rohmer |
| 1969 | Secretas intenciones (Las) | Antonio Eceiza |
| 1970 | Voyou (Le) | Claude Lelouch |
| 1971 | Course du lièvre à travers les champs (La) | René Clément |
| 1971 | Sans mobile apparent | Philippe Labro |
| 1972 | Attentat (L') | Yves Boisset |
| 1972 | Un homme est mort | Jacques Deray |
| 1972 | Une journée bien remplie | Jean-Louis Trintignant |
| 1973 | Défense de savoir | Nadine Trintignant |
| 1973 | Escapade (L') | Michel Soutter |
| 1973 | Glissements progressifs du plaisir | Alain Robbe-Grillet |
| 1973 | Mouton enragé (Le) | Michel Deville |
| 1973 | Train (Le) | Pierre Granier-Deferre |
| 1973 | Violons du bal (Les) | Michel Drach |
| 1974 | Agression (L') | Gérard Pirès |
| 1974 | Jeu avec le feu (Le) | Alain Robbe-Grillet |
| 1974 | Secret (Le) | Robert Enrico |
| 1975 | Donna della domenica (La) Femme du dimanche | Luigi Comencini |
| 1975 | Flic story | Jacques Deray |
| 1975 | Il pleut sur Santiago | Helvio Soto |
| 1975 | Ordinateur des pompes funèbres (L') | Gérard Pirès |
| 1975 | Voyage de noces (Le) | Nadine Trintignant |
| 1976 | Désert des Tartares (Le) | Valerio Zurlini |
| 1976 | Passagers (Les) | Serge Leroy |
| 1977 | Repérages | Michel Soutter |
| 1978 | Argent des autres (L') | Christian de Chalonge |
| 1978 | Maître nageur (Le) | Jean-Louis Trintignant |
| 1979 | Melancoly baby | Clarisse Gabus |
| 1979 | Terrazza (La) Terrasse | Ettore Scola |
| 1980 | Banquière (La) | Francis Girod |
| 1980 | Je vous aime | Claude Berri |
| 1980 | Malevil | Christian de Chalonge |
| 1980 | Passione d'amore Passion d'amour | Ettore Scola |
| 1980 | Un assassin qui passe | Michel Vianey |
| 1981 | Boulevard des assassins | Boramy Tioulong |
| 1981 | Eaux profondes | Michel Deville |
| 1981 | Grand pardon (Le) | Alexandre Arcady |
| 1981 | Mondo nuovo (Il) La Nuit de Varennes | Ettore Scola |
| 1981 | Une affaire d'hommes | Nicolas Ribowski |
| 1982 | Under Fire | Roger Spottiswoode |
| 1982 | Vivement dimanche ! | François Truffaut |
| 1983 | Bon plaisir (Le) | Francis Girod |
| 1983 | Colpire al cuore | Gianni Amelio |
| 1983 | Crime (La) | Philippe Labro |
| 1983 | Femmes de personne | Christopher Frank |
| 1983 | Viva la vie | Claude Lelouch |
| 1984 | David, Thomas et les autres | Laszlo Szabo |
| 1984 | Été prochain (L') | Nadine Trintignant |
| 1984 | Partir, revenir | Claude Lelouch |
| 1984 | Rendez-vous | André Téchiné |
| 1985 | Homme aux yeux d'argent (L') | Pierre Granier-Deferre |
| 1985 | Un homme et une femme : Vingt ans déjà | Claude Lelouch |
| 1986 | Femme de ma vie (La) | Régis Wargnier |
| 1987 | Moustachu (Le) | Dominique Chaussois |
| 1987 | Vallée fantôme (La) | Alain Tanner |
| 1988 | Bunker palace hôtel | Enki Bilal |
| 1990 | Merci la vie | Bertrand Blier |
| 1992 | Instinct de l'ange (L') | Richard Dembo |
| 1992 | Oeil écarlate (L') | Dominique Roulet |
| 1993 | Regarde les hommes tomber | Jacques Audiard |
| 1993 | Trois couleurs rouge | Krzysztof Kieslowski |
| 1994 | C'est jamais loin | Alain Centonze |
| 1994 | Cité des enfants perdus (La) | Jean-Pierre Jeunet |
| 1994 | Fiesta | Pierre Boutron |
| 1995 | Tykho Moon | Enki Bilal |
| 1995 | Un héros très discret | Jacques Audiard |
| 1997 | Ceux qui m'aiment prendront le train | Patrice Chéreau |
| 2002 | Immortel | Enki Bilal |
| 2002 | Janis et John | Samuel Benchetrit, Tristan Meunier |
| 2011 | Amour | Michael Haneke |
| 2012 | Michael Haneke - Porträt eines Film-Handwerkers Michael Haneke, profession réalisateur | Yves Montmayeur |
| 2016 | Happy end | Michael Haneke |
| 2018 | Plus belles années d'une vie (Les) | Claude Lelouch |