Профессиональная карьера актрисы началась в 1949-м. Первым появлением на телевидении стало участие в сериале «Телевизионный театр Крафта», а первое появление в театре пришлось на постановку «Кошка на раскаленной крыше» Теннесси Уильямса.
Далее Луис появилась в качестве гостя во множестве телесериалов, среди которых – «Студия один», «Театр Армстронга», «Дымок из ствола», «Обнаженный город» и многие другие. Кроме прочего, Неттлтон была частой гостьей телевизионных шоу и викторин вроде «Пирамиды».
В конце семидесятых Луис выиграла свою первую «Эмми» за роль в теледраме Роберта Дюбела «The American Woman: Portraits of Courage». Вторую свою награду «Эмми» актриса получила в 83-м, за фильм «A Gun for Mandy». Кроме выигранных премий, Луис была удостоена и номинаций, например, за роль в сериале «Золотые девочки», а также за роль в теледраме Лэмонта Джонсона «Fear on Trial» 75 года. За театральные роли Неттлтон также не раз номинировалась на награды – так, за роль в постановке «They Knew What They Wanted» она стала соискательницей «Тони», а за работу в постановке «Blanche DuBois» была отмечена похвалами критиков.
Кроме теле- и театральных ролей, Луис Неттлтон снималась и в кино. В 62-м сыграла в комедии «Период привыкания» Джорджа Роя Хилла; в 64-м появилась в комедии Берта Кеннеди «Невеста по почте»; вновь с режиссером Кеннеди она поработала в 69-м, в вестерн-комедии «Хорошие, плохие ребята», а также в его другом веселом вестерне - «Грязный Дингус Маги» на следующий год. Главную роль Луис сыграла в 76-м, в драме Дона Тейлора «Отзвуки лета». Одной из последних работ актрисы на большом экране стала драма Конрада Джениса «Женское чутье» в 1994 году. Вообще же за свою карьеру Луис Неттлтон сыграла почти в сотне теле- и кинофильмов и сериалов, не считая сценических ролей. Кроме того, в последние годы актриса работала и над озвучиванием диснеевских мультперсонажей.
В 1960-м Луис вышла замуж за актера и известного радиоведущего Джона Шепперда, брак продлился 7 лет, детей в семье не появилось.
Луис Неттлтон умерла в возрасте 80 лет, 18 января 2008 года, от рака легких. Похоронена актриса на нью-йоркском кладбище Saint Raymond's Cemetery.