Pierre Louÿs fait ses études à l'école Alsacienne de Paris, où il se lie d'amitié avec son condisciple André Gide. Il rédige ses premiers textes durant son adolescence et tient un journal. Encore jeune homme, il commence à s'intéresser au mouvement littéraire du Parnasse, dont il fréquente les poètes emblématiques : Leconte de Lisle, José-Maria de Heredia (dont il épousera en 1899 la plus jeune fille, Louise et sera l'amant de la cadette, Marie, épouse d'Henri de Régnier). Il évolue aussi dans le milieu symboliste.
Il fonde en 1891 la revue littéraire La Conque, où sont publiées les Âœuvres d'auteurs parnassiens et symbolistes : des maîtres servant de modèles, comme Mallarmé, Moréas, Leconte de Lisle ou Verlaine, mais également de jeunes poètes encore inconnus comme Valéry, André Gide et Louÿs lui-même.
Son premier recueil de poésies, Astarté, paraît en 1893, suivi en 1894 des Chansons de Bilitis qui reste son Âœuvre la plus connue, en plus d'être un fier exemple de mystification littéraire : en effet, Louÿs en fait passer ces poèmes pour une traduction d'une poétesse grecque contemporaine de Sappho. Ce recueil de courts poèmes en prose est marqué par les influences du Parnasse hellénisant et du symbolisme avec un profond goût de la sensualité, du bucolique (dans sa première partie) et de l'érotisme élégant. Les évocations naturelles et précieuses y côtoient ainsi des scènes érotiques ardentes, dans un style parfait. Ces poèmes inspirèrent certains musiciens, dont Claude Debussy qui en tira trois compositions, avec la collaboration amicale de Louÿs.
Son premier roman, Aphrodite (mÂœurs antiques) est publié en 1896. Dans un style associant raffinement extrême dans la volupté et décadentisme recherché, le roman connaît un succès d'estime dans les milieux littéraires post-parnassiens ainsi qu'auprès du grand public, grâce à un article louangeur de François Coppée.
Son roman suivant, La Femme et le pantin (1898), se passe à l'époque contemporaine. Ce roman, ajoutant le dramatique à la sensualité, s'avérera être le chef d'Âœuvre de Louÿs, sans en représenter les passions décadentes mais plutôt une atmosphère complexe d'affects torturés. Du roman fut tiré un drame musical, Conchita (1911), par Zingarini et Vaucaire sur une musique de Riccardo Zandonai, puis plusieurs films, La Femme et le pantin (The Devil is a Woman) de Josef von Sternberg avec Marlène Dietrich (1935), La Femme et le pantin de Julien Duvivier avec Brigitte Bardot (1959), et Cet obscur objet du désir de Luis Buñuel avec Fernando Rey et Carole Bouquet (1977).
Il écrit encore Les Aventures du roi Pausole (1901), mais, accablé de difficultés financières, Louÿs a beaucoup de mal à écrire (plus encore à publier) à partir du début du XXe siècle. Il donne alors essentiellement des recueils d'articles et de nouvelles, préalablement publiés dans les journaux.
Paradoxalement, c'est vers 1917 qu'il écrit ses plus beaux textes, Isthi (publié sans nom d'auteur à quelques centaines d'exemplaires), Poëtique et surtout son chef-d'Âœuvre lyrique, le Pervigilium mortis, longtemps resté inédit. Ses Derniers vers - très amers - ne sont pas non plus publiés.
Tout au long de sa vie, Pierre Louÿs a écrit un très grand nombre de curiosa, doublant, notamment et systématiquement, ses Âœuvres publiées d'une version érotique. Ses textes, souvent ironiques, reprennent sous une forme coquine des Âœuvres sérieuses comme les quatrains de Pybrac ou le Manuel de civilité pour les petites filles à l'usage des maisons d'éducation. Il a également raconté ses difficiles relations avec les trois filles Heredia et leur mère dans Trois Filles de leur mère, publié sous le manteau après son décès.
Pierre Louÿs est aussi un bibliophile, qui possédait une bibliothèque de plus de 20 000 volumes (dont des unica) et une connaissance très fine de la littérature ancienne. Passionné de bibliographie, il a publié plusieurs articles sur ces questions et a surtout fait des milliers de fiches qu'il a cédées à son ami Frédéric Lachèvre, auteur d'une Bibliographie des recueils collectifs de poésies publiés de 1597 à 1700 qui fait encore référence aujourd'hui. Frédéric Lachèvre a lui-même publié les lettres qu'il a reçues de Pierre Louÿs, après la mort de ce dernier sous le titre, Pierre Louÿs et l'histoire littéraire (Paris, 1925).
Pierre Louÿs est inhumé au cimetière du Montparnasse.
