Луи Антуан родился в семье нотариуса, члена парижского магистрата. Учился в колледже Университета и проявил большие способности к математике. В 1754 публикует трактат о вычислениях интегралов, получивший некоторую известность.
Он становится адвокатом, но довольно быстро отказывается этой карьеры, чтобы стать военным. Бугенвиль поступает в отряд черных мушкетеров, становится адъютантом генерала Монкальма де Сен-Верана и принимает участие в экспедиции 1756 г. в Канаду.
В 1758 Бугенвиль был послан обратно во Францию, чтобы просить подкрепления у правительства Людовика XV. Министр, к которому он обратился, возразил, что, если в доме пожар, не время заниматься конюшней. Бугенвиль немедленно возразил: «Ну, как тут не сказать, господин министр, что вы мыслите, будто лошадь» От мести министра его спасло только энергичное вмешательство мадам де Помпадур.
В 1759 Бугенвиль получает чин полковника. В 1763, он оставляет армию и переходит на флот в звании капитана первого ранга. На двух кораблях, «Орел» и «Сфинкс», он прибывает на Мальвинские острова в южной Атлантике и организует там колонию. Через три года по приказу короля Людовика XV, острова передаются испанцам. Вскоре их заняли англичане, переименовав в Фолклендские.
В 1766 он предпринимает кругосветное путешествие. На кораблях «Ворчунья» (la Boudeuse) и «Звезда» (l'?toile), он отплывает из Бреста. Пройдя Магелланов пролив, Бугенвиль выходит в южные моря. В апреле 1768 он прибывает на Таити, затем посещает Самоа и Гебридские острова, Новую Бретань (ныне острова Бисмарка), Новую Гвинею и Маврикий. Пройдя мыс Доброй Надежды, он через два с половиной года возвращается в Сен-Мало.
С 1778 по 1782, Бугенвиль в качестве командира эскадры принимает участие в американской освободительной войне Соединенных штатов, с 1780 — главнокомандующий французскими экспедиционными сухопутными войсками. Он планирует плавание к Северному полюсу, но министерство этот проект не утверждает. В 1790 он становится командующим флотом в Бресте, но в 1792 уходит с этой должности, отказавшись также от министерства, чтобы посвятить себя наукам. В 1795 был избран членом Парижской Академии наук.
Бугенвиль был арестован во время Террора и освобождён после падения Робеспьера. Наполеон в 1799 сделал его сенатором, в 1804 присвоил звание командора Почетного легиона, а в 1808 — графом Империи.
В честь Луи Антуана де Бугенвиля названы: