Родился в 825. Старший сын Лотаря I и Ирменгарды Турской.

Вскоре после заключения в 843 Верденского договора отец отослал Людовика в Италию. Папа римский Сергием II вышел навстречу молодому государю и устроил в его честь великолепный прием. В июне 844 он торжественно короновал его королём Итальянским.

В 846 норманны поднялись по Тибру до самого Рима и, хотя не смогли его взять, сильно опустошили окрестности. Людовик напал на них, но потерпел поражение и едва сумел спастись.

В 850 Папа Лев IV венчал Людовика императорской короной. Но титул императора не давал ему никаких преимуществ перед остальными франкскими королевствами. Князь Салерно Сиконульф явился к Людовику, присягнул ему на верность и заплатил значительную сумму денег.

Заручившись союзом с ним, Людовик двинулся против арабов со всеми находившимися в Италии войсками франков. Князь Беневента выдал ему находившихся в его городе арабов, и Людовик повелел всех их казнить за городом. Но эта свирепость только ожесточила врагов, которые совершали многочисленные набеги и производили ужасные опустошения. Людовик тщетно осаждал Бари и принужден был вскоре отступить со всем войском.

В начале 860-х император поссорился с папой Николаем I из-за того, что тот сместил без его ведома архиепископа равеннского и не желал давать развод его брату Лотарю. В 864 Людовик ввёл своё войско в ту часть Рима, которая лежала на северном берегу Тибра, и поселился во дворце близ церкви Св. Петра. Николай заперся в Латеране. Вскоре император заболел лихорадкой и при посредничестве императрицы Ингельберги помирился с папой.

После смерти его младшего брата Карла, умершего бездетным в 863, Людовик получил часть Бургундии, но владения другого его брата, Лотаря II, умершего в 869 и также не оставившего прямых наследников, достались Карлу Лысому и Людвигу Немецкому.

В 867 в союзе с Византийской империей он после месячной осады отнял у арабов Капую и разбил их неподалеку от Люцеры в Апулии. К 869 он взял также Матеру, Неаполь, Салерно и Беневент. Арабы были блокированы в Бари. После долгой осады император в феврале 871 наконец овладел этой крепостью. Вслед за тем он осадил Тарент.

Но скоро оба императора поссорились из-за первенства, так как греки не хотели признать за Людовиком титул "Августа". К этому прибавилась ещё и измена герцога беневентского Адальгиса. Когда Людовик прибыл в его город, Адальгис изъявил внешнюю покорность, но, дождавшись, когда император отпустил свои войска, поднял мятеж и хотел захватить Людовика во время сна. Людовик укрылся в одной из башен дворца и храбро защищался в ней три дня. Наконец, епископ Беневентский принудил врагов заключить мир. При этом император должен был поклясться на мощах, что не будет держать на герцога зла.

Но Людовик не мог простить такое вероломство. Папа Адриан II освободил его от данной клятвы, и в 872 император подступил к Беневенту. Герцог отдался под покровительство византийцев, которые стали активно помогать ему, в результате чего вся южная Италия опять вышла из подчинения Людовику.

Он умер 12.08.875, оставив после себя память как о справедливом и богобоязненном государе. Современники ставили ему в заслугу то, что он вёл упорную борьбу с мусульманами, часто даже жертвуя ради неё своими личными интересами. Его брак с Ингельбергой был бездетным и после его смерти пресеклась итальянская ветвь Каролингов.