Louis Antoine de Bougainville est né à Paris le 11 novembre 1729, frère de l'historien Jean-Pierre de Bougainville. Il est fils de notaire. Il a fait des études poussées au collège de l'Université et montre des aptitudes particulières pour les études mathématiques et de droit. Il est d'abord avocat au Parlement de Paris, puis il entreprend une carrière militaire. En 1754, il est nommé secrétaire d'ambassade à Londres et devient membre de la Royal Society le 8 janvier 1756.Il est nommé aide de camp de François Chevert, puis il est envoyé en 1756 au Canada comme capitaine de dragons et aide-de-camp de Louis-Joseph de Montcalm, qui le charge, en 1758 d'aller demander au gouvernement de Louis XV des renforts pour maintenir la colonie. Après la mort de Montcalm en 1759, il dirige la retraite et il est nommé colonel.
En 1761, il se distingue sur les bords du Rhin. Lorsque la paix est conclue en 1763, il est nommé capitaine de frégate et file avec deux navires, L'Aigle et Le Sphinx, vers les îles Malouines pour y établir une colonie.
Mais, trois ans plus tard, par ordre du roi Louis XV, et devant les violentes protestations des Espagnols qui revendiquent ces îles comme faisant partie de l'Amérique du Sud, il devra leur restituer l'archipel après une négociation qui sera favorable à la France. Les Anglais reprendront bientôt le territoire aux Espagnols pour leur donner le nom de Falklands.
Accompagné d'un naturaliste, d'un dessinateur et d'un astronome, il part de Nantes, plus précisément de Mindin, le 15 novembre 1766, fait escale dans la rade de Brest d'où il repart le 5 décembre2 pour un voyage autour du monde à bord de la frégate La Boudeuse. Un second bateau, L'Étoile, une flûte (navire de charge), parti de Rochefort le 1er février 1767, le rejoint pour le tour du monde le 13 juin 1767 à Rio de Janeiro après deux rendez-vous manqués aux Malouines et dans l'embouchure du Río de la Plata.
Au Brésil, le botaniste Philibert Commerson embarqué sur L'Étoile découvre la fleur qu'il nommera plus tard la bougainvillée et cette fleur sera donnée à la première femme de Napoléon.
Après avoir remis les îles Malouines aux Espagnols, sur ordre de Louis XV, il franchit le détroit de Magellan, explore l'immense et dangereux Archipel des Tuamotu et mouille à Tahiti qui vient d'être découverte en avril 1768 par Samuel Wallis. Il y reste moins de dix jours, puis repart avec un jeune Tahitien volontaire, Aotourou, qui fait le trajet jusqu'à Paris puis qui meurt au cours du voyage de retour, après une escale à l'île de France (aujourd'hui île Maurice).
Il explora quelques semaines plus tard l'île qui porte son nom. Il découvre ensuite la plupart des îles Samoa, qu'il appelle îles des Navigateurs, revoit les îles Saint-Esprit de Pedro Fernández de Quirós (appelées Vanuatu depuis leur accession à l'indépendance en 1980). Il longe les Louisiades, retrouve les îles Salomon et peut enfin se ravitailler aux Moluques.
Il rentre à Saint-Malo le 16 mars 1769 et publie en 1771 sa Description d'un voyage autour du monde, où il évoque le mythe, au parfum alors sulfureux, du « paradis polynésien ». Croyant avoir découvert Tahiti, alors qu'il a été précédé par Quirós en 1606 et par Samuel Wallis (et que James Cook y fera un séjour plus prolongé), Bougainville voit en outre les apports scientifiques de son voyage éclipsés par le caractère ambigu du succès de son ouvrage. Il a néanmoins fait faire à la géographie de l'Océanie de grands progrès, trouvant des îles nouvelles, précisant la situation de beaucoup d'autres, donnant sur les mœurs des indigènes des renseignements intéressants. Ce livre suscite une réaction de Denis Diderot, qui publie en 1772 son Supplément au voyage de Bougainville.
Il embarque ensuite sur La Terpsichore en 1775 et sur Le Solitaire en 1776. Il commande en 1777 Le Bien-Aimé, puis, de 1778 à 1779, Le Guerrier. Promu chef d'escadre le 8 décembre 1779, il commande plusieurs vaisseaux dans la Guerre d'indépendance des États-Unis. Il combat l'amiral Samuel Hood, à la Martinique, et participe le 5 septembre 1781 à la bataille de la baie de Chesapeake. Il retourne dans l'armée de terre avec le grade de maréchal de camp.
Son comportement à la Bataille des Saintes, le 12 avril 1782, fut des plus curieux. À la tête de sa division de six vaisseaux, il abandonna son amiral, le Comte de Grasse, et les douze autres vaisseaux français aux prises avec les navires anglais sous les ordres de l'amiral George Rodney. Bougainville prétendit ne pas avoir compris les signaux de son navire amiral pour définir la manœuvre. Il lui était pourtant facile de faire faire demi-tour à sa division et de revenir en l'espace d'une heure sur le lieu du combat. Ce faisant, il aurait provoqué la panique chez les Anglais entourant les vaisseaux français. De nombreux témoins accablèrent la désertion de Bougainville au procès de Lorient en 1784. Cependant, Bougainville fut relaxé, car sa condamnation eût été embarrassante pour les ministres, compte tenu de ses relations.
Il forme un projet d'expédition au pôle Nord, qui lui est refusé par le ministre Loménie de Brienne. Il reste fidèle à Louis XVI lors de la Révolution. Il est chargé en 1790 de commander l'armée navale de Brest. Vice-amiral en 1791, n'ayant pu rétablir l'ordre dans cette troupe indisciplinée, il se retire du service. Il quitte la marine après en avoir refusé le ministère en 1792 pour se consacrer à l'étude des sciences.
Il est arrêté pendant la Terreur et libéré suite à la chute de Robespierre. Associé libre de l'Académie des sciences depuis 1789, il est élu membre de l'Institut de France et membre du Bureau des longitudes en 1796.
Il connaissait et se passionnait pour les plantes, et son jardin était remarquable (Château de Suisnes). Quand le goût pour les roses commence à se développer, il fournit à son chef jardinier Aubin Cochet les capitaux pour son installation comme pépiniériste rosiériste, le premier dans la Brie.
Napoléon Bonaparte le comble de dignités : sénateur en 1799, grand officier de la Légion d'honneur en 1804, comte d'Empire en 1808. Il préside le conseil de guerre qui juge les responsables de la bataille de Trafalgar en 1809. Ce sera sa dernière fonction officielle.
Son cœur repose au cimetière du Calvaire à Montmartre, son corps repose au Panthéon de Paris.
