Louise Martini wurde als Tochter eines Beamten in Wien geboren. Der Künstlername Martini ist der Mädchenname der Mutter. Die Liebe zum Theater entdeckte "die Martini", als sie mit zwölf Jahren in einer Schulaufführung das Lottchen im Ferdinand Raimunds "Bauer als Millionär" spielte. Noch während ihrer Schulzeit am Realgymnasium in Wien besuchte sie das Reinhardt-Seminar.
Ihre Schauspielkarriere begann Louise Martini an verschiedenen Wiener Theatern. Ans Volkstheater holte sie Heinz Hilpert. Danach folgten fünf Jahre Kabarett mit Helmut Qualtinger, Carl Merz, Gerhard Bronner und Georg Kreisler. 1962 ging Louise Martini nach Deutschland. Der Durchbruch gelang ihr in der Hauptrolle des Musicals "Irma la Douce" in München. Erfolgreich wechselte sie vom Kabarett ins klassische Schauspielfach. Bereits in den sechziger Jahren präsentierte sie ihre eigene Personality-Show "Eine Frau - Louise Martini" im Fernsehen.

Einem breiten Publikum wurde Martini vor allem durch ihre zahlreichen Fernsehauftritte bekannt, mit prominenten Rollen in Serien, wie etwa in "Traumschiff", "Derrick", "Der Kommissar", "Tatort", "Kottan" und "Ein Fall für zwei". Dem österreichischen Fernsehpublikum ist Louise Martini als Präsentatorin der Serie "Gerichte mit Geschichte" und als Gastgeberin im "Club 2" in Erinnerung. Ab 1968 moderierte sie in Ö3 siebzehn Jahre lang die wöchentlichen Sendungen "Mittags Martini" und "Martini Cocktail".

Louise Martini erhielt zahlreiche Auszeichnungen, u. a. die Goldene Kamera, die Goldene Ehrenmedaille der Stadt Wien und sie ist Trägerin des Johann-Nestroy-Ringes. Im Verlag Deuticke ist 1998 ihr Buch "Ein O für Louise - Wien in den 50er Jahren" erschienen.

An der Josefstadt war sie 2007/08 in "Gefährliche Liebschaften" und in "Miss Daisy und ihr Chauffeur" zu sehen.