Luis María de Borbón y Vallabriga nació el 22 de mayo de 1777 en el madrileño pueblo de Cadalso de los Vidrios en el palacio del Marques de Villena. Hijo del infante Luis Antonio Jaime de Borbón y Farnesio y María Teresa Vallabriga. Llegó al mundo sin rango especial alguno debido al matrimonio morganático de sus padres, lo que le privó en sus primeros años del apellido Borbón y de lugar en la línea sucesoria. En 1779 su familia se trasladó a Velada y Arenas de San Pedro, donde su padre se convirtió en mecenas de importantes artistas, como Goya, quien retrató a su familia.
A la muerte de su padre en 1785, el niño pasó a ser educado por unos monjes de Toledo. Su tío el rey Carlos III había dispuesto destinarle a la carrera eclesiástica. En 1793 se convirtió en arcediano de Talavera, y al año siguiente en conde de Chinchón, título que cedió en 1803 a su hermana, María Teresa de Borbón y Vallabriga, que en 1797 había casado con Manuel Godoy, secretario del Despacho de Estado. La protección de su cuñado le permitió alcanzar en 1800 la mitra de Toledo y el capelo de Cardenal presbítero de Santa María della Scala, siguiendo los pasos de su padre. En 1799 se le otorgó la dignidad de grande de España, y en 1820 el collar del Toisón de Oro.
Cuando en 1808 las tropas de Napoleón invaden España, Luis es el único miembro de la familia real que permaneció en la nación. Huyó a Andalucía y participó en las Cortes de Cádiz, también firmó el decreto que suprimía el tribunal de la Inquisición española.
A la retirada de los franceses en 1813, Luis María preside el consejo de regencia que gobernará el país hasta la llegada de su sobrino segundo Fernando VII y la jura de la Constitución de 1812.
El golpe de Estado que dio el rey a fin de restaurar el absolutismo propició la detención de los componentes de la regencia, excepto Luis que fue desterrado en Toledo y obligado a renunciar al arzobispado de Sevilla. Aunque el enfado de Fernando hacia su tío segundo no fue duradero; a finales de 1816, Luis María fue autorizado a residir en Madrid, y gracias a la mediación de Joaquín José de Melgarejo, el rey y el cardenal pudieron reconciliarse en 1818.
En 1820, Rafael del Riego lanza un pronunciamiento que obliga al rey a jurar la constitución y a aceptar un gobierno moderado. Durante este período, conocido como Trienio Liberal, Luis María formó parte de la primera línea de gobierno.
Fue promovido a Caballero de la Orden del Toisón de Oro el 9 de julio de 1820, siendo distinguido, además, a lo largo de su vida con la Gran Cruz de Carlos III, con la Orden americana de Isabel la Católica y con las órdenes italianas de San Jenaro y San Fernando de Nápoles.
Su salud siempre había sido muy delicada, y su muerte, provocada por una lacerante gota que arrastraba desde que era muy joven, se produjo en la capital el 18 de marzo de 1823, librándole de la represión que se suscitó durante la "Década Ominosa", comenzada pocos meses después bajo el amparo de los Cien Mil Hijos de San Luis. Fue enterrado en la catedral de Toledo, en un mausoleo realizado por Valeriano Salvatierra.