Dedicado a la ciencia desde temprana edad contrariando el sentimiento familiar que lo soñaba diplomático, obtuvo un bachillerato en matemáticas y en filosofía en 1909, una licenciatura en historia en 1910 y un doctorado en física en 1913, en la Sorbona.
Aunque la Primera Guerra Mundial interrumpió sus estudios, retornó a ellos en el Laboratorio de Rayos X, fundado y dirigido por su hermano Maurice, quien ejerció fuerte influencia en su pensamiento. Ambos publicaron Introducción a la física de los rayos X y Gamma ; Louis envió sus primeras notas a la Academia de Ciencias, referentes a la espectroscopia de los rayos X , entre 1920 y 1921.
Su tesis doctoral de 1924, sobre la teoría de los cuantos, en la que propuso una teoría sintética de las ondas y los corpúsculos, le otorgó renombre en los círculos científicos de Alemania, Gran Bretaña y Estados Unidos. Langevin envió una copia de ella a Einstein, quien respondió afirmando que Broglie "había levantado un borde del gran velo"; y continuando la investigación de las propuestas en ella incluidas, en 1926, Erwin Schrodinger formuló la teoría de la mecánica ondulatoria .
Profesor de Física teórica en la Sorbona, a partir de 1928, un año después Broglie fue galardonado con el Premio Nobel de Física , "por su descubrimiento del carácter ondulatorio del electrón, base de la mecánica ondulatoria". Desempeñó el profesorado hasta 1962, y escribió para sus alumnos varios textos, entre ellos Introducción al estudio de la mecánica ondulatoria y De la mecánica ondulatoria a la teoría del núcleo . De su trabajo docente nació también la teoría de la luz conocida con el nombre de "teoría del fotón de Broglie".
Aunque en 1927 abandonó sus ideas sobre la dualidad onda -corpúsculo en favor de la interpretación que sostenían Bohr, Born, Heisenberg y Pauli acerca de la mecánica cuántica, en 1950 recuperó su antiguo enfoque de la microfísicay, junto con los teóricos, Bohm, de la Universidad de Princeton y Vigler de París, emprendió una reinterpretación de lamecánica ondulatoria.
En 1933, fue elegido miembro de la Academia de Ciencias de Francia, de la que fue secretario perpetuo, de 1942 a 1975. Falleció en Louveciennes. Era miembro de la Academia Francesa desde 1944.
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