Figlio di Ferrante Gonzaga marchese di Castiglione delle Stiviere e di Marta Tana di Chieri, Luigi nacque a Castiglione il 9 marzo 1568.
In quanto primogenito ricevette un'educazione di tipo militare, visse e studiò a Firenze, Mantova, e in Spagna. Ispirato da una vocazione molto precoce manifestatasi già nell'infanzia, nel 1585 rinunciò al diritto di ereditare il titolo del padre in favore del fratello Rodolfo ed entrò nel noviziato della Compagnia di Gesù a Roma dove studiò con San Roberto Bellarmino.
Si dedicò alla cura degli umili e dei malati, nel 1591 prestando soccorso a un malato di peste contrasse la malattia e ne morì il 21 giugno 1591 a soli ventitre anni.
E' sepolto nella Chiesa di S. Ignazio in Campo Marzio a Roma.
Fu canonizzato il 31 dicembre 1726 da papa Benedetto XIII. La sua ricorrenza è il 21 giugno.