Après avoir suivi les cours de Théodore Devilly et Charles Pêtre à l'École des Beaux-Arts de Nancy, Louis Majorelle est admis à l'École des Beaux-Arts de Paris en 1877 dans l'atelier du peintre Aimé Millet. Deux ans plus tard, le décès de son père l'oblige à revenir à Nancy. Il reprend avec son frère Jules l'entreprise familiale de fabrique de mobilier et de faïence. L'histoire de l'entreprise Majorelle débute avec Auguste Majorelle qui ouvre un magasin à Toul en 1858. Il exerce une double activité, celle de décorateur et de commerçant. En 1860, voulant se rapprocher de sa clientèle, Auguste Majorelle s'installe à Nancy, rue des Dominicains, où il ouvre un commerce de meubles et d'objets d'art.
À la mort d'Auguste Majorelle en 1879, son fils aîné, Louis, prend la succession de l'entreprise aux côtés de sa mère. Le magasin est installé au 26 rue Saint-Georges à Nancy. Durant plusieurs années, Majorelle se forme auprès des ouvriers de son père, ce qui lui assure une solide connaissance pratique. Il peut ainsi prendre la direction artistique de la maison Majorelle en 1884, qui compte une vingtaine d'ouvriers, alors que sa mère gère le magasin dans lequel il expose son premier meuble.
En 1885, il épouse Jeanne Kretz. Leur fils unique, Jacques Majorelle, naît l'année suivante.
À l'Exposition universelle de Paris, en 1889, il est récompensé d'une médaille d'argent dans la catégorie meubles à bon marché et de luxe. Il crée l'année suivante un atelier consacré au travail du métal.
En 1894, après une production d'inspiration historique, Louis Majorelle remplace le décor vernis ou peint du mobilier rocaille et japonisant au profit du décor marqueté à références naturalistes et symbolistes. Son stand à l'exposition d'art décoratif des galeries Poirel à Nancy rassemble 12 meubles de style Louix XV, Louis XVI et Empire ainsi que des meubles d'inspiration moderne : un plateau de table en bois pyrogravé et la table La Source, composés par Jacques Gruber, et un meuble créé par Camille Gauthier. Reconnu essentiellement pour son travail d'ébéniste, Louis Majorelle développe une production de meubles à deux niveaux : la première concerne le mobilier de luxe, fabriqué à Nancy rue du Vieil Aître, et la seconde, le mobilier bon marché de série qui est réalisé à partir de 1905 dans les ateliers de Pierre Majorelle à Bouxières, près de Nancy, sous le nom de Peltier, Misserey et Cie.
En 1897, il fait construire ses ateliers rue du Vieil Aître à Nancy, par Lucien Weissenburger. Le travail du métal est développé dans ses ateliers pour la réalisation des bronzes ornant le mobilier, mais aussi pour les luminaires en collaboration avec Daum à partir de 1898. C'est cette même année que Majorelle collabore pour la première fois avec Henri Sauvage pour l'ameublement et la décoration du Café de Paris (avenue de l'Opéra, Paris). Majorelle fera appel à Sauvage pour la construction de la Villa Jika - ou Villa Majorelle -, dont le chantier débute en 1901.
À l'Exposition universelle de Paris, en 1900, Louis Majorelle est membre du jury pour sa catégorie. Il y présente entre autres l'ensemble de mobilier aux nénuphars (musée de l'École de Nancy).
Quand l'association École de Nancy est officiellement fondée en 1901, Louis Majorelle en est l'un des vice-présidents.
Il fait éditer ses céramiques dans différents ateliers de la région lorraine et réalise des modèles d'objets en grès pour Alphonse Cytère (Rambervillers) et les frères Mougin.
Ses multiples activités l'amènent à ouvrir de nombreux magasins d'exposition, notamment à Paris, Lyon, Lille, Oran et Alger.
En 1916, les bombardements détruisent les magasins et les ateliers de Nancy, ainsi qu'une partie de la Villa Majorelle. Louis s'installe à Paris et reprend la peinture en fréquentant l'académie Julian et le travail du métal. Il crée à cette époque des verreries cloisonnées en collaboration avec Antonin Daum et entreprend la reconstruction de ses ateliers nancéiens malgré la menace des bombardements persistants.
Louis Majorelle décède en 1926. Son frère, Jules, prend la direction administrative de la société Majorelle et la direction artistique est assurée par Alfred Levy, fidèle collaborateur de l'entreprise depuis 1888 où il y est entré comme décorateur. Le magasin de la rue Saint-Georges ferme en 1951 et les ateliers cessent toute activité cinq ans plus tard.
