Louise Abbéma est née dans une famille aristocratique aisée proche du milieu artistique parisien : elle est la fille du vicomte Émile Abbéma, chef de gare d’Étampes, et l’arrière-petite-fille de l’actrice du Théâtre-Français Louise Contat et du comte Louis de Narbonne, ministre de la Guerre sous Louis XVI. Elle étudie d’abord auprès du peintre d’histoire Louis Devedeux (1820-1874), puis se forme dans les ateliers de Charles Chaplin (1825-1891), Jean-Jacques Henner (1829-1905) et Carolus-Duran (1837-1917).
Elle expose au Salon des artistes français de 1874 à 1926 et obtient une mention honorable en 1881, ainsi qu’une médaille de bronze et une médaille d’argent à l’Exposition universelle de 1900. Elle présente ses œuvres à la galerie Georges Petit à huit reprises ainsi qu’au sein du Woman’s Building de la World’s Columbian Exposition de Chicago en 1893.
Elle rencontre Sarah Bernhardt (1844-1923) en 1871 et entame avec elle une longue relation artistique et amoureuse qui s’achève en 1923, à la mort de l’actrice. En 1876, L. Abbéma présente au Salon Portrait de M^lle Sarah Bernhardt, sociétaire de la Comédie-Française, son premier succès – dans le Times du 1^er mai 1876, il est écrit : « Ce n’est pas l’actrice qu’elle a peinte, mais la femme artiste dans toute sa distinction. » En 1878, elle expose un médaillon représentant le profil de S. Bernhardt (1875) auquel celle-ci répond par un buste en marbre, portrait de L. Abbéma (1878). Cette dernière représente une des soirées données par l’actrice dans son jardin d’hiver dans Le Déjeuner dans la serre de 1877. L. Abbéma devient une figure artistique de la vie mondaine parisienne en fréquentant la haute société et la bourgeoisie, qui lui procurent des commandes comme le plafond Parfums pour Guerlain présenté en 1896. Son atelier est aussi un salon, lieu de poses et de rencontres.

Suivant sa devise, « Je veux », elle explore des techniques variées : peinture à l’huile, pastel, aquarelle, sculpture, gravure. Elle réalise de nombreux portraits d’actrices de la Comédie-Française et de personnalités (en peinture, M^lle Jeanne Samary, 1879 ; M^lle B. Baretta, 1880 ; Portrait de M^me la comtesse de Martel, 1892 ; Portrait de M. Fernand Le Grand, directeur de la Société de la Bénédictine de Fécamp, 1901 ; en gravure, Paul Mantz, Jean-Jacques Henner, Charles Garnier, Jean Alexandre Joseph Falguière…) ainsi que des paysages. Elle crée également des panneaux décoratifs, des affiches, des dessins publicitaires, des illustrations d’ouvrages (notamment pour La Mer de René Maizeroy), des éventails. Sa touche rapide et légère atteste de ses inspirations académiques – certains critiques y voient aussi une référence aux impressionnistes et à Édouard Manet (1832-1883). Les œuvres japonaises marquent son travail.
Plusieurs de ses compositions sont visibles sur les murs de bâtiments publics : l’hôtel de ville de Paris, les mairies des VII^e, X^e et XX^e arrondissements. L. Abbéma réalise des décors pour l’église Notre-Dame-de-Lorette, le théâtre Sarah-Bernhardt (actuel Théâtre de la Ville), le musée de l’Armée, la Société nationale d’horticulture de France et le palais du gouverneur de Dakar, au Sénégal.

Officière d’Académie, chevalière du Mérite agricole, officière du Mérite des arts de Saxe-Cobourg-Gotha depuis 1883, membre du comité de la section de peinture à la Société d’horticulture de France et du Comité de la société des artistes décorateurs, L. Abbéma est faite chevalière de la Légion d’honneur en 1906. En dépit de la reconnaissance qu’elle connaît de son vivant, aucune exposition monographique ne lui a été consacrée depuis sa mort.