Louise Marleau apprend à jouer dès l'âge de sept ans. Grâce à Jean Gascon, elle joue quelques rôles dès l'enfance à la télévision et à la radio. Elle est de la première comédie musicale du Théâtre La Marjolaine, Doux temps des amours, à 16 ans.
Elle fait des études universitaires en littérature, en psychologie et en histoire de l'art mais se tourne finalement vers le théâtre à partir du milieu des années 1960. Suivent une quarantaine de rôles à la scène et de très nombreuses présences au cinéma et à la télévision.
Sur scène, au cours des années 1960, elle incarne notamment Agnès dans L’école des femmes de Molière et participe à la création de la pièce Au retour des oies blanches de Marcel Dubé.
Au cours des années 1970, elle fait la rencontre du metteur-en-scène Jean Salvy, avec qui elle travaille régulièrement et qui sera un temps son compagnon de vie. Sous sa direction, elle joue notamment dans deux pièces de Tennessee Williams : Soudain l’été dernier et la création en français de Pièce à deux. Toujours en collaboration avec Salvy, elle tient aussi le rôle principal dans Mademoiselle Julie d'August Strindberg, Duo pour une soliste de Tom Kempinski et dans une adaptation théâtrale du roman de Stefan ZweigVingt-quatre heures de la vie d'une femme.
Au cinéma, son interprétation d'une femme en crise d'identité dans le drame L'Arrache-coeur de Mireille Dansereau lui vaut de récolter un prix au Festival des films du monde en 1979 et une nomination aux Prix Génie du cinéma canadien. L'année suivante, elle tient un rôle secondaire, celui de la riche Madame Viau-Vachon, dans Les Bons Débarras de Francis Mankiewicz, œuvre marquante de la cinématographie québécoise.
Au cours des années 1980, Louise Marleau travaille à trois reprises avec la réalisatrice Léa Pool. Leur première collaboration, La Femme de l'hôtel, permet à Marleau de recevoir le Prix Génie de la meilleure actrice en 1985. Suit Anne Trister et finalement À corps perdu.
Dans un genre très différent, on la retrouve aussi dans la comédie Cruising Bar de Robert Ménard, où elle joue une femme des plus élégantes, et dans la fantaisie sentimentale Une histoire inventée d'André Forcier, dans laquelle elle incarne une séductrice compulsive.
À la télévision, elle endosse le personnage de l'énigmatique Justine Lalonde pendant trois saisons dans la série à succès Scoop, scénarisée par Réjean Tremblay et Fabienne Larouche.
En 1996, elle participe étroitement à l'album Gelsomina de Claude Dubois. Ce disque se voulait un témoignage d'estime au cinéaste italien Federico Fellini et à son film La Strada.
