Neveu du coureur automobile Maurice Trintignant, qui lui a transmis sa passion, le jeune Jean-Louis Trintignant suit des études de droit à la faculté d'Aix-en-Provence. Mais il assiste le jour de ses 19 ans à une représentation théâtrale qui changera sa vie : L'Avare, mis en scène par Charles Dullin, dont il décide de suivre les cours à Paris. Jeune premier qui débute sur les planches en 1951 avec la pièce A chacun selon sa faim, le comédien se fait rapidement remarquer, grâce notamment à Responsabilité limitée, un texte de Robert Hossein, en 1953. Il fait à cette époque un bref passage par l'IDHEC, avec pour ambition de devenir réalisateur - un désir qui ne se concrétisera que vingt ans plus tard.

Après quelques figurations, le premier film dans lequel apparaît Jean-Louis Trintignant est Si tous les gars du monde en 1955, mais celui qui le révèle est Et Dieu créa la femme de Vadim, drame au parfum de scandale qui lance le mythe Bardot. Très marqué par ses deux ans de service militaire en Algérie, il trouve un de ses premiers grands rôles en 1961 dans Le Combat dans l'ile, œuvre engagée de Cavalier. Son goût pour les personnages ambigus lui fera d'ailleurs tourner plusieurs grands films politiques, de Z de Costa-Gavras (sa composition de juge lui vaut le Prix d'interprétation à Cannes en 1969) au Conformiste de Bertolucci - un des sommets de sa carrière italienne, qui compte aussi Le Fanfaron de Risi ou La Terrasse de Scola.