Louis Arene fait ses études au lycée Claude Monet, option théâtre. Il y rencontre Emmanuel Demarcy-Mota avec lequel il jouera par la suite dans plusieurs spectacles : Le Diable en Partage et Marcia Hesse de Fabrice Melquiot, Peine d’Amour Perdue de Shakespeare. Il se perfectionne ensuite à l’École du jeu (École de théâtre de Paris) puis entre au Conservatoire National  Supérieur d’Art Dramatique où il a pour professeurs Dominique Valadié, Alain Françon, Mario Gonzalez, Christiane Cohendy, Michel Fau.

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Entre 2002 et 2013, l’acteur joue au théâtre, sous la direction de Philippe Calvario, Annabelle Simon, Dominique Catton, Mélodie Berenfeld. Il écrit, met en scène et interprète seul La Dernière Berceuse en 2009 qui obtient le Prix des Arts de l’Académie Nationale d’Art Dramatique Silvio d’Amico de Rome et le Prix du Jury 2011 du festival Passe-Portes de l’île de Ré.

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Pensionnaire de la Comédie-Française entre 2012 et 2016, il y met en scène et joue La Fleur à la bouche de Pirandello. Il y joue pour de nombreux metteurs en scène : Muriel Mayette, Clément Hervieu-Léger, Giorgio Barberio Corsetti, Jean-Yves Ruf, Christian Hecq et Valérie Lesort… À la Comédie-Française également, il crée les masques de Lucrèce Borgia de Victor Hugo dans la mise en scène de Denis Podalydès.

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En 2012, il fonde le Munstrum Théâtre avec Lionel Lingelser. La compagnie est associée depuis septembre 2017 à la Filature, scène nationale de Mulhouse. Au sein de celle-ci, il est metteur en scène, acteur, scénographe et créateur de masques. En 2014, il co-signe avec Lionel Lingelser L'Ascension de Jipé, puis met en scène en 2016 Le Chien, la Nuit et le Couteau de Marius von Mayenburg, et en 2019, 40° sous zéro, diptyque autour des Quatre Jumelles & de L'Homosexualité ou la difficulté de s'exprimer de Copi. Avec Lionel Lingelser, il co-signe également Clownstrum (2018), et intervient comme collaborateur artistique sur le solo Les Possédés d'Illfurth (2021).

En 2021, il met en scène Zypher Z, création mobilisant toute l'équipe du Munstrum, écrite en collaboration avec Kevin Keiss. 

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En mai-juin 2022, Louis Arene créera Le Mariage Forcé de Molière au Studio-Théâtre de la Comédie-Française, en collaboration avec Lionel Lingelser et l'équipe du Munstrum. 

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A l'Université Bordeaux-Montaigne, il est intervenant metteur en scène auprès des étudiants en deuxième année ainsi qu'à l'ESAD (Ecole supérieure d'art dramatique de Paris). 

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Louis Arene a joué à la télévision et au cinéma pour Zabou Breitman, Cosme Castro et Jeanne Frenkel, Fabienne Godet, Philippe Garrel, Gérard Jourd’hui, Pierre Aknine et Badreddine Mokrani.

Illustrateur, il a publié un livre pour enfants, Histoires et Célèbres Inconnues, avec Fabrice Melquiot.

Il prête régulièrement sa voix pour des livres audios des Editions Gallimard et Thélème.