Музыкальные способности Луи проявились очень рано. Под влиянием дяди Шарля Колена, профессора Парижской консерватории, он начал обучаться игре на фортепиано. В десятилетнем возрасте Луи Вьерн впервые услышал игру знаменитого органиста Сезара Франка на органе и, по его собственным словам, она стала для него откровением.  

В 1881 году Вьерн поступил в Парижский институт для слепых детей, где помимо традиционных школьных дисциплин обучался игре на органе, фортепиано, скрипке, а также познакомился с гармонией, контрапунктом и композицией. 

В 1886 году Вьерн завоевал первый приз по скрипке и фортепиано в ежегодном школьном конкурсе. Одним из членов конкурсного жюри был Сезар Франк. Выступление Вьерна произвело на него сильное впечатление и он пообещал юному музыканту заняться его обучением после окончания школы. Этот разговор с Франком определил дальнейшую судьбу Луи Вьерна как музыканта. Он учился у Сезара Франка, а после его смерти – у Шарля Видора в Парижской консерватории. 

В 1892 году Видор сделал его своим помощником в церкви Сан-Сюльпис, а через два года – ассистентом в своем классе в консерватории. К концу XIX века Луи Вьерн являлся автором примерно двух десятков композиций, написанных в жанре фортепианной, вокальной и камерной музыки. 

В 1900 году на конкурсной основе Вьерн был назначен на пост титулярного органиста Собора Парижской Богоматери, который он занимал до конца жизни. Это один из престижнейших постов Франции. В Соборе Парижской Богоматери был установлен великолепный орган, особенности звучания которого оказали значительное влияние на органные композиции музыканта. 

Луи Вьерн очень быстро приобрёл славу блестящего органиста и импровизатора. Музыкальный язык Вьерна в своем становлении прошёл через различные стили. Он воспринял общий драматизм и эмоциональный пафос Бетховена, Листа и Вагнера и нежные «пастельные» краски импрессионизма, вошедшие во французскую музыку благодаря гению Дебюсси, а в поздних своих работах композитор обнаруживает даже влияние современной музыки – модерна и джаза. Несмотря на болезни, Вьерн много концертировал, а после окончания Первой мировой войны гастролировал в Европе (1921–1924) и Америке (1927), давая, помимо концертов, и мастер-классы. Вообще, он был человек трагической судьбы – родился почти слепым и проблемы со зрением, которое удавалось кратковременно улучшить операциями, преследовали Вьерна всю жизнь. Его преследовали и всяческие неудачи в личной жизни. 

В 1906 году он провалился в яму, что привело его на некоторое время к инвалидности – ему пришлось заново учится педальной технике. 

В 1913 году умер его младший сын, а в ноябре 1917 года Первая мировая война унесла жизнь и старшего сына. В довершение всех несчастий, в мае 1918 года, погиб его младший брат-органист, в музыкальное обучение которого Вьерн вложил немало сил… Видимо, поэтому в его сочинениях сочетались разом живость и лиризм, грусть и даже героизм. Композитор искал новые гармонические краски, новые выразительные средства, прежде всего в области гармонии. А трагедии, которые опечалили жизнь композитора, только ещё больше заставляют сопереживать его музыке. Несмотря на проблемы со здоровьем и в личной жизни, он всегда оставался добрым и терпеливым наставником. В течение почти всей своей жизни Вьерн вёл дневник, который помогали записывать сначала его брат Рене, а после его гибели – одна из учениц. В этом дневнике был подробно описан ход его музыкального обучения, сначала в семье, а потом в школе для слепых, включая занятия на фортепиано и сведения об исполняемом репертуаре. Эти дневники были частично опубликованы ещё при жизни Вьерна в 1934 году, а в 1970 году они вышли во Франции целиком. 

В 1931 году заслуги Луи Вьерна получили официальное признание: он стал рыцарем ордена Почетного легиона. 

Луи Вьерн умер 2 июня 1937 года от сердечного приступа в Соборе Парижской Богоматери во время своего 1750-го сольного концерта.