Pierre-Loup Rajot passe son bac à Paris, puis il suit des études de sciences et techniques de l'environnement. Formé au cours Florent par Francis Huster, il entre ensuite à l'Atelier des comédiens de Nanterre dirigé par Patrice Chéreau.
Révélé par Maurice Pialat dans A nos amours, le comédien Pierre-Loup Rajot apparaît essentiellement dans des films d'auteur. En 1984, il interprète le frère de Christophe Malavoy dans Souvenirs, souvenirs, d'Ariel Zeitoun, où il incarne un lycéen a peine sorti de l'adolescence qui vit une histoire d'amour avec son professeur de musique (Gabrielle Lazure). Puis il est l'une des vedettes du film-révélation de Rachid Bouchareb Bâton Rouge (1985), dans lequel il compose un garçon sorti de l'assistance publique qui rêve de partir en Amérique pour y faire fortune. La même année, on le retrouve dans une comédie, La Galette du roi (Jean-Michel Ribes, 1985), où il interprète le garde du corps d'un homme d'affaires. Amant de Jeanne Moreau dans La Nuit de l'océan (Antoine Perset, 1987), clochard dans Au Petit Marguery (Laurent Bénégui, 1995), réalisateur amoureux d'un jeune acteur maghrébin dans Drôle de Félix (Olivier Ducastel, Jacques Martineau, 1999), cet acteur entre dans la peau de tous les personnages avec une aisance peu commune.
Pierre-Loup Rajot a joué dans de nombreux téléfilms. Il a notamment incarné le personnage de Fiaux dans La Bicyclette bleue (Thierry Binesti, 2000) au côté de Laetitia Casta. Il a réalisé Jeunes gens en 1996.
Courts métrages 2004 | Personnes en danger | Pierre-Loup Rajot |
| 2004 | Personnes en danger | Pierre-Loup Rajot |
| 1984 | Atelier (L') | André Téchiné |
| 1990 | Lily veut qu'on l'aime | Anne Roussel |
| 1990 | Valentino I love you | Jean-François Chiron |
| 1994 | A Clara | Diane Pierens |
| 2000 | Photo de famille | Xavier Barthélemy |
| 2001 | Puits (Le) | Gabriel Le Bomin |
| 2001 | Tu devrais faire du cinéma | Michel Vereecken |
| 2003 | C'est mieux comme ça | Bruno Predebon |
Longs métrages| 1995 | Jeunes gens | Pierre-Loup Rajot |
| 2008 | Dans sa bulle | Pierre-Loup Rajot |
| 1995 | Jeunes gens | Pierre-Loup Rajot |
| 2008 | Dans sa bulle | Pierre-Loup Rajot |
| 2008 | Dans sa bulle | Pierre-Loup Rajot |
| 2012 | Ceci est mon corps | Jérôme Soubeyrand |
| 1983 | A nos amours | Maurice Pialat |
| 1983 | Garçon ! | Claude Sautet |
| 1983 | Scarlatine (La) | Gabriel Aghion |
| 1984 | Été prochain (L') | Nadine Trintignant |
| 1984 | Souvenirs, souvenirs | Ariel Zeïtoun |
| 1985 | Bâton Rouge | Rachid Bouchareb |
| 1985 | Bras de fer | Gérard Vergez |
| 1985 | Cent francs l'amour | Jacques Richard |
| 1985 | Galette du roi (La) | Jean-Michel Ribes |
| 1987 | Nuit bengali (La) | Nicolas Klotz |
| 1987 | Nuit de l'océan (La) | Antoine Perset |
| 1988 | Aduéfuè Les Guérisseurs | Sidiki Bakaba |
| 1988 | Coupe franche | Jean-Pierre Sauné |
| 1988 | Jour après jour | Alain Attal |
| 1990 | Cheb | Rachid Bouchareb |
| 1991 | Boulevard des Hirondelles | Josée Yanne |
| 1993 | Cours-y vite : Le bus | Jean-Luc Gaget |
| 1994 | Au petit Marguery | Laurent Bénégui |
| 1994 | Frères Gravet (Les) | René Féret |
| 1994 | Poudre aux yeux (La) | Maurice Dugowson |
| 1997 | Corps ouverts (Les) | Sébastien Lifshitz |
| 1997 | Revanche de Lucy (La) | Henryk Janusz Mrozowski |
| 1998 | Nos vies heureuses | Jacques Maillot |
| 1998 | Nouvelle Eve (La) | Catherine Corsini |
| 1999 | Drôle de Félix | Olivier Ducastel, Jacques Martineau |
| 1999 | Voyous, voyelles | Serge Meynard |
| 2000 | Répétition (La) | Catherine Corsini |
| 2002 | Moi et mon Blanc | S. Pierre Yameogo |
| 2004 | Quand je serai star | Patrick Mimouni |
| 2005 | Exes | Martin Cognito |
| 2008 | Arbre et la forêt (L') | Olivier Ducastel, Jacques Martineau |
| 2008 | Toutes les filles pleurent | Judith Godrèche |
| 2012 | Ceci est mon corps | Jérôme Soubeyrand |
| 2015 | Dormeuse Duval (La) | Manuel Sanchez |