Nato a Piolenc nel 1930 (morto a Uzes - nel sud della Francia), mentre è studente alla facoltà di diritto di Aix-en-Provence, assiste ad una rappresentazione teatrale dell’Avaro di Molière e ad una del Giulio Cesare di William Shakespeare e decide di seguire i corsi di teatro di Charles Dullin e Tania Balachova a Parigi. Debutta nel 1951 con la compagnia teatrale di Raymond Hermantier in À chacun selon sa faim e, in seguito, recita nel Macbeth di W. Shakespeare con la Comédie de Saint Étienne.

Timido di carattere, interprete schivo, molto abile nel costruire personaggi intensi e sofferti celati da un’apparente impassibilità, con una grande versatilità che gli ha permesso di cimentarsi con generi diversi e con le più varie correnti cinematografiche, dal genere semi-sperimentale di Alain Robbe-Grillet al poliziesco francese degli anni Settanta, alle opere della Nouvelle Vague come Eric Rohmer e François Truffaut.  Dopo tre anni nell’esercito francese durante la guerra in Algeria, esordisce al cinema in alcune piccole parti - La legge della strada (1956) di Ralph Habib e S.O.S. Lutezia (1956) di Christian-Jaque per imporsi poi all’attenzione del pubblico con Et Dieu … créa la femme (1956) di Roger Vadim, con Brigitte Bardot che ottiene, con questo film il successo internazionale.

Dopo altri ruoli secondari, Club di ragazze (1956) di Ralph Habib, Parfois le dimanche (1959) di Adonis Kyrou e Raoul Sangla, Le relazioni pericolose (1959) di Roger Vadim, con Jeanne Moreau e Gérard Philipe) interpreta Estate violenta (1959) di Valerio Zurlini, con Jacqueline Sassard ed Enrico Maria Salerno ed il celebre Il sorpasso (1962) di Dino Risi, con Vittorio Gassman, e si afferma definitivamente con Un uomo, una donna (1966) di Claude Lelouch, con una bravissima Anouk Aimée. Il film lo conferma come uno fra i più dotati attori francesi della sua generazione.

Tre anni dopo è protagonista di Z - L’orgia del potere (1969) di Costa-Gavras, e di La mia notte con Maud (1969) di Eric Rohmer. Nel ’70 offre una straordinaria performance in Il conformista di Bernardo Bertolucci, con Stefania Sandrelli e Dominique Sanda. Dopo esser passato dietro alla macchina da presa dirigendo Una giornata spesa bene (1972), recita in numerosi film, fra cui spiccano La donna della domenica (1975) di Luigi Comencini, tratto dal romanzo omonimo di Fruttero e Lucentini con Jacqueline Bisset e Marcello Mastroianni, e Il deserto dei Tartari (1976) di Valerio Zurlini, tratto dal libro omonimo di Dino Buzzati (Premio Strega 1958 con Quaranta racconti) ed interpretato anche da Jacques Perrin, Giuliano Gemma e Max von Sydow.

Due anni dopo dirige Il maestro di nuoto (1978), suo secondo film da regista. Tra gli anni Settanta e Ottanta, appassionato di automobilismo, ha gareggiato in vari Rally, tra i quali il prestigioso Rally di Montecarlo, in gare di Endurance e nella Parigi-Dakar.

All’inizio degli anni Ottanta Gianni Amelio lo sceglie come protagonista dell’intenso Colpire al cuore (1983) e, nello stesso anno, è in Finalmente domenica! (1983) di François Truffaut (alla sua ultima regia prima della sua prematura scomparsa, avvenuta nel 1984 all’età di cinquantadue anni), con Fanny Ardant, ed interpreta il ruolo di un losco traditore in Sotto tiro (1983) di Roger Spottiswoode, con Nick Nolte, Joanna Cassidy, Gene Hackman e Ed Harris e considerato (insieme a Quarto potere di Orson Welles, L’asso nella manica di Billy Wilder, L’ultima minaccia di Richard Brooks, Un volto nella folla di Elia Kazan, Prima pagina di Billy Wilder, Quinto potere di Sidney Lumet, Tutti gli uomini del Presidente di Alan J. Pakula, Sindrome cinese di James Bridges, Diritto di cronaca di Sydney Pollack e Broadcast News - Dentro la notizia di James L. Brooks) quasi all’unanimità come uno fra i migliori film americani sul giornalismo mai realizzati.

Negli anni Novanta è superlativo nel ruolo dell’ombroso giudice di Tre colori - Film rosso (1994) di Kristof Kieslowski. Negli anni successivi dirada notevolmente le sue apparizioni cinematografiche, Regarde les hommes tomber (1994) e Un héroes très discret (1996) di Jacques Audiard, Tykho Moon (1996) di Enki Bilal, Ceux qui m’aiment prendront le train (1998) di Patrice Chéreau.

Fra gli altri film ricordiamo La battaglia di Austerlitz (1960) di Abel Gance, con Claudia Cardinale e Pierre Mondy,  Il gioco della verità (1961) di e con Robert Hossein, La lussuria (1962) di Jacques Demy, episodio de I sette peccati capitali, Il successo (1963) di Mauro Morassi, con Anouk Aimée e Vittorio Gassman, Il castello in Svezia (1963) di Roger Vadim, con Monica Vitti e Curd Jürgens, Mata Hari, agente segreto H21 (1964) di Jean-Louis Richard, con Jeanne Moreau,  Il ladro di crimini (1969), L’uomo in basso a destra nella fotografia (1973), Un giorno e una notte (1976) e L’estate prossima (1984), tutti diretti da sua moglie, la montatrice e regista Nadine Trintignant,  La meravigliosa Angelica (1965) di Bernard Borderie, con Michèle Mercier e Jean Rochefort, Vagone letto per assassini (1965) di Costa-Gavras, Trans-Europ-Express (1966) di Alain Robbe-Grillet, La lunga marcia (1966) di Alexandre Astruc, con R. Hossein,   Parigi brucia? (1966) di René Clément, Le biches - Le cerbiatte (1968) di Claude Chabrol,   Il grande silenzio (1968) di Sergio Corbucci, con Klaus Kinski, Metti una sera a cena (1969) di Giuseppe Patroni Griffi, con Lino Capolicchio e Florinda Bolkan, La canaglia (1971) di Claude Lelouch,  La corsa della lepre attraverso i campi (1972) di René Clément, con Robert Ryan e Lea Massari, L’attentato (1972) di Yves Boisset, con Gian Maria Volonté e Jean Seberg,  Noi due senza domani (1973) di Pierre Granier-Deferre,  con Romy Schneider, Il montone infuriato (1974) di Michel Deville, con R. Schneider e Jean-Pierre Cassel, Appuntamento con l’assassino (1975) di Gérard Pirès, con Catherine Deneuve e Claude Brasseur, Giochi di fuoco (1975) di Alain Robbe-Grillet, con Philippe Noiret,  Flic Story (1975) di Jacques Deray, con Alain Delon e Renato Salvatori, I soldi degli altri (1978) di Christian Chalonge, con C. Deneuve La terrazza (1980) di Ettore Scola, La banchiera (1980) di Francis Girod, (1982), Il mondo nuovo (1982) di Ettore Scola, con Marcello Mastroianni e Hanna Schygulla, Viva la vita (1984), con Charlotte Rampling  e Tornare per rivivere, con Annie Girardot, entrambi diretti da Claude Lelouch, Un uomo, una donna oggi (1986) di Claude Lelouch, con A. Aimée, sequel (molto meno riuscito) del già citato Un uomo, una donna, Merci la vie - Grazie alla vita (1991) di Bertrand Blier.     

Nell’agosto 2003 sua figlia, l’attrice Marie Trintignant (Il fascino del delitto - 1979 - e Le cousin - 1998 – di Alain Corneau, Primo viaggio - 1980 - L’estate prossima - 1984 - e Le fuggitive - 1995 – di Nadine Trintignant, Estate impura - 1987 - di Pierre Granier-Deferre, Un affare di donne - 1988 - di Claude Chabrol, In viaggio con Alberto - 1990 - di Arthur Joffé, Notte d’estate in città - 1990 - di Michel Deville,  Una lunga, lunga, lunga notte d’amore - 2001 - di Luciano Emmer), muore tragicamente all’età di soli quarantuno anni a causa della violenza delle percosse del compagno (il cantante Bertrand Cantat, all’epoca leader del gruppo rock francese Noir Desir) in un albergo di Vilnius - in Lituania -, dove si trovava per le riprese di un telefilm sulla scrittrice francese Colette.

Profondamente segnato da tale disgrazia, nei successivi quindici anni Jean-Louis Trintignant si è ritirato a vita privata, apparendo ancora in pochissimi film (Immortal - 2004 - di Enki Bilal, di cui è voce off narrante, Amour - 2012 - e Happy End - 2017 - di Michael Haneke, I migliori anni della nostra vita - 2019 - di Claude Lelouch).