Ludwig war der Sohn des Herzogs von Oberbayern, Ludwig II. (dem Strengen) und Mathilde von Habsburg. Nach dem Tod seines Vaters 1294 wurde Ludwig bis 1301 zeitweise bei seinen österreichischen Verwandten in Wien erzogen. 1301 wurde er an der Seite seines Bruders Rudolf als Mitregent Herzog von Bayern. Um 1308 heiratet er in Schlesien die Herzogstochter Beatrix, die jedoch schon 1322 verstirbt.

Als Ludwig von seinem Bruder 1310 die Teilung des Herzogtums erzwingt (1313 söhnen sich die beiden wieder aus) und überdies seinen habsburgischen Vetter Friedrich den Schönen in der Schlacht bei Gammelsdorf besiegt, ist er bereits ein geachteter deutscher Fürst. 1324 heiratete Ludwig in Köln Margarete von Holland († 1356), Gräfin von Hennegau und Holland und vergrößert damit seine Hausmacht. 1340 erbt Ludwig zudem Niederbayern und setzte in dem gleichen Jahr seinen Sohn Ludwig in der Mark Brandenburg ein. 1345 erbt Ludwig außerdem durch seine Frau Margarete Holland, Friesland, Seeland und Hennegau. Ludwigs Hausmacht hat damit einen recht beeindruckenden Umfang erreicht.

München wurde zu einer prachtvollen Residenzstadt ausgebaut. Zugleich betrieb Ludwig eine gezielte Städtepolitik und versuchte, die Rechtsprechung in seinem Herrschaftsraum zu vereinheitlichen.

Nach dem plötzlichen Tod Kaiser Heinrichs VII. wird Ludwig 1314 von der Mehrheit der Kurfürsten als erster Wittelsbacher zu dem deutschen König gewählt. Am 28.09 1322 besiegt er bei Mühldorf am Inn endgültig den als Gegenkönig auftretenden Friedrich den Schönen und festigt seine Position in dem Reich.

Ludwig bemühte sich vergeblich um die Anerkennung durch Papst Johannes XXII., der sich in dem Thronkonflikt die Verhältnisse offen zu halten wollte. Dadurch drängte er Ludwig in eine antikuriale Haltung. Ludwig mißachtete daraufhin den Anspruch der Kurie, den Rechtsanspruch Ludwigs auf die Krone zu prüfen (es ging also um die ewige Frage der Approbation eines neugewählten römisch-deutschen Königs; Ludwig ging durchaus zu Recht davon aus, dass dieses Gericht keinen neutralen Standpunkt wahren würde). Daraufhin verhängte Johannes am 23. März 1324 den Kirchenbann über den König. Ludwig wurde ca. noch verächtlich als "Ludwig der Bayer" genannt. Dies war der Beginn einer Auseinandesetzung, die Ludwig zeitlebens begleiten sollte. Es kam daher zu einer Aussöhnung mit den Habsburgern: Friedrich der Schöne wurde durch den am 5.9.1324 geschlossenen Vertrag Mitregent in dem Reich - ein höchst origineller Schachzug Ludwigs.

Ludwig plante nun, die Stellung des Papstes in Italien zu schwächen. In Absprache mit verschieden Führern der Ghibellinen brach er 1327 zu seinem Romzug auf (1327-30). Er ließ sich am 17.01 1328 von Sciarra Colonna , einem Vertreter des römischen Volkes (nicht vom Papst!) zu dem Römisch-deutschen Kaiser krönen. Luwdig erklärte den Papst für abgesetzt (18.4.1328) und ernannte Nikolaus V. zu dem Gegenpapst (12.5.1328). Damit wandte sich Ludwig zu dem einen gegen den Anspruch des Papstes auf Approbation, zu dem anderen brach Ludwig mit seiner Kaiserkrönung mit der Tradition des Mittelalters, wonach stets ca. der Papst die Kaiserkrönung vollzog. Klar war jedoch, dass es von nun an ca. noch zu dem Kampf zwischen Johannes und Ludwig kommen konnte. Zu Ludwigs Beratern in der anschließenden Debatte wurden Marsilius von Padua und Wilhelm von Ockham, die auf theoretischer Basis die Stellung des Kaisertums als Institution gegenüber dem Papsttum verteidigten. Die Kurfürsten bestätigten zwar 1338, dass ein von ihnen gewählter König nicht vom Papst bestätigt werden müsse; doch war zu jener Zeit ohnehin keine Verständigung mehr möglich, zumal der französische König Philipp VI. jegliche Annäherung zwischen Ludwig und dem Papst unterminierte.

1346 wurde mit Unterstützung der Kurie und des französischen Königshofes Karl IV. zu dem Gegenkönig gewählt. Die Luxemburger hatten lange taktiert und waren stets noch verbittert über den Ausgang der Wahl von 1314. Der Entscheidungsschlacht zwischen den beiden Königen, bei der Ludwig vielleicht in dem Vorteil gewesen wäre, kam der Tod Ludwigs bei Kloster Fürstenfeld zuvor.