Louis Guilloux naît à Saint-Brieuc en 1899, d'un père cordonnier et militant socialiste, comme Guilloux le raconte dans La Maison du peuple. Malgré quelques séjours à Paris et Angers, toute sa vie durant il reste attaché à sa ville natale, dans laquelle il situe l'action de plusieurs de ses romans.
Grâce à une bourse, il entre au lycée de Saint-Brieuc, actuellement collège Anatole Le Braz. Il s'y lie d'amitié avec le professeur de philosophie Georges Palante, dont il s'inspire pour composer le personnage de Cripure, pathétique héros du Sang noir. Il découvre Romain Rolland, alors très lu par les jeunes, et Jules Vallès dont il partagera la révolte. Durant la Première Guerre mondiale, en 1916, il est surveillant d'internat.
Il rencontre en 1917 Jean Grenier, futur professeur d'Albert Camus et philosophe. Après l'armistice, on lui confie un poste de répétiteur au lycée Gerson.
En 1920, sa vocation d'écrivain prend naissance ; il commence à écrire des récits et des contes qui sont ensuite publiés dans des journaux (Le Peuple, Ce soir...). En 1922, il devient lecteur d'anglais et traducteur pour le journal L'Intransigeant. Plus tard, il devient le traducteur de l'écrivain Margaret Kennedy, mais également de l'auteur noir américain Claude McKay (Home to Harlem), de John Steinbeck pour Les Pâturages du ciel (1948) et, avec Didier Robert, d'une partie de la série des Hornblower, romans de marine de C. S. Forester.
Il épouse Renée Tricoire en 1924. Par l'intermédiaire d'André Chamson, il rencontre Daniel Halévy, directeur de la collection Les Cahiers verts chez Grasset, et d'autres écrivains dont Max Jacob, avec lequel il se lie d'amitié.
Son premier roman, La Maison du peuple, paraît chez Grasset en 1927.
Auteur engagé, il signe la pétition parue le 15 avril 1927 dans la revue Europe contre la loi sur l’organisation générale de la nation pour le temps de guerre, qui abroge toute indépendance intellectuelle et toute liberté d’opinion. Son nom côtoie ceux d'Alain, Raymond Aron, Lucien Descaves, Henry Poulaille, Jules Romains, Séverine… En 1935, il participe au premier Congrès mondial des écrivains antifascistes et en devient le secrétaire, puis devient responsable pour les Côtes-du-Nord du Secours rouge, ancêtre du Secours populaire, qui vient en aide aux chômeurs et aux réfugiés espagnols.
Son œuvre la plus célèbre, Le Sang noir, manque de peu le prix Goncourt en 1935. Dans ce roman qui se déroule sur une journée, en 1917, certainement à Saint-Brieuc même si la ville n'est pas nommée, Guilloux à travers un singulier professeur de philosophie, Cripure, souvent moqué par ses élèves et par les habitants de la ville, dénonce la situation tragique d'une jeunesse sacrifiée à la guerre. Même si le cadre est à l'écart du front, Le Sang noir se déroule dans le climat pesant de la Première Guerre mondiale, et Guilloux évoque une émeute de conscrits ainsi que les exécutions des mutins, notamment du Chemin des Dames.
Le roman est remarqué par André Malraux qui lui consacre dans Marianne (20 novembre 1935) un important article intitulé Le Sens de la mort (repris dans Malraux, Essais, Bibl. de la Pléiade, p. 317-319), puis par André Gide, qui en 1936 invite Guilloux à l'accompagner dans son célèbre voyage en URSS. En février 1973, alors que Louis Guilloux est invité à dîner chez Claude Roy, celui-ci lui demande pourquoi il n'a jamais rien écrit sur le voyage de 1936 en URSS : Je lui ai raconté tout au long en lui donnant les raisons que j'avais eues de me taire jusqu'à présent [...]. La conviction s'est faite en moi dès ce moment-là, et depuis lors elle demeure, que Gide n'est allé en Russie que pour y chercher l'autorité de dire ce qu'il savait qu'il dirait. Tout en bavardant avec Claude Roy, je me suis souvenu de cette admirable soirée de pique-nique sous le grand chêne, avec Iachvili, Tabidze, Dabit et Schiffrin, à une vingtaine de kilomètres de Tiflis, et des trois paysans qui achevaient leur repas dans le pré non loin de nous, et des toasts que nous échangions. Depuis lors, Iachvili et Tabidzé ont été physiquement liquidés par notre grand camarade Staline.
Durant la Seconde Guerre mondiale, sa maison de Saint-Brieuc au 13, rue Lavoisier est un lieu de rencontre de résistants, les miliciens viennent y arrêter une résistante qu'il héberge. En 1942, il écrit Le Pain des rêves, qui reçoit le Prix du roman populiste. À la Libération, il est interprète pour les tribunaux militaires américains (O.K., Joe). 1945 marque la naissance de son amitié avec Albert Camus qui préface une réédition de Compagnons.
Le complexe et foisonnant roman Le Jeu de patience remporte le prix Renaudot en 1949. Suivent Parpagnacco en 1954, Les Batailles perdues en 1960, La Confrontation en 1967.
En 1972, il signe pour la télévision l'adaptation des Thibault de Roger Martin du Gard, et en 1973 celle de trois récits de Joseph Conrad, La Ligne d'ombre, La Folie Almayer et Freya des sept îles.
En 1976 est publié Salido suivi de O.K., Joe, puis en 1978 Coco perdu, et les Carnets 1921-1944 (1978).
Il meurt le 14 octobre 1980 à Saint-Brieuc.
Une page dédiée à Louis Guilloux est à voir sur KuB ainsi que la lecture de son roman publié en 2019 L'indésirable.