Людвиг Бемельманс был сыном бельгийского художника и дочери пивовара из Регенсбурга. Несмотря на то, что детство мальчика прошло в Германии и Австро-Венгрии, первым его родным языком его был французский. В 1904 году родители Людвига разошлись, и мать с двумя детьми уехала в Регенсбург. Так как Людвиг оказался ребёнком с трудным характером, мать его отправила, не дождавшись окончания им школы, к дядьке в Тироль, где тот владел несколькими отелями. В 1914 отправили ещё дальше — в США, где жил отец Людвига. Первое время в Америке будущий писатель работал в гостиницах; в 1917 году он уходит служить в армию США, где дослужился до звания капрала. Будучи связанным родственными узами в Германией, Людвиг избежал отправки на фронт в Европу и в Первую мировую войну прослужил при госпитале. В 1918 он получает американское гражданство. В 1920-е годы Бемельманс опять работает в гостиницах, кельнером в отеле Риц-Карлтон, и пробует свои силы, сперва без особого успеха, как художник. в 1925 году он делает дизайн ресторана «Hapsburg House», одним из совладельцев которого являлся.

В начале 1930-х годов Л.Бемельманс знакомится с Мэй Массе, одной из ведущих сотрудниц издательства Viking Press в области детской литературы, и находит в ней всестороннюю поддержку как писатель. В 1934 году выходит первая его книжка для детей «Ханзи» (Hansi) — о приключениях двух австрийских мальчишек и их собаки, ей следует несколько других. В 1935 году Людвиг женится на Мадлен Фрейнд, а в 1939 году выходит его первая детская книга тз серии Мадлен (Madeline), обеспечившая её автору широкую известность. Бемельманс сделал также и иллюстрации к стихотворной истории о приключениях самоуверенной маленькой парижанки. Сперва, впрочем, книжка была отвергнута в нескольких издательствах как черезчур претенциозная, однако после издания у Simon and Schuster имела большой успех.

Поводом для сюжета «Мадлен» послужил несчастный случай, произошедший с самим автором. Однажды летом 1938 года во время путешествия по Франции Бемельманса сбила машина. В больнице в соседней палате после операции на аппендицит лежала маленькая девочка. Они подружились. Людвига поразил оптимизм и любопытство маленькой соседки ко всему, что происходило в больнице, в том числе к своей операции, которая, казалось, её ничуть не огорчала. Там же, в больнице, и пришла к нему мысль написать книгу о такой девочке. Книга получилось не одна, а целых семь. Выходили они с 1939 по 1961 год, а седьмая вышла уже после смерти автора, в 1999 году. Все книги серии начинаются словами, знакомыми читателю вот уже 70 лет: «В Париже, на тихой улочке С мощеными тротуарами Жили-были двенадцать девочек, И все они делали парами…»

Одновременно Бемельманс пишет и рисует для ряда крупнейших американских периодических изданий — таких, как Vogue, The New Yorker, Fortune, Harper’s Bazaar, McCall’s, Holiday и других. Он создаёт также романы и «путевые заметки» для взрослого читателя, например «Голубой Дунай» (The Blue Danube, 1945), в котором критически изображает немецкий провинциальный быт во времена гитлеризма. Бемельманс много ездит по США и Европе, а 1935 году - арестовывается в Германии за то, что пародировал там Гитлера. В 1940-е годы он интересуется также кинематографом и театром, пишет несколько сценариев. В 1945 году по его сценарию в Голливуде выходит сюрреалистский мюзикл Иоланта и вор, с Фредом Астером. В 1953 году он живёт в Париже. Художник занимался также частными заказами. Так, Л.Бемельманс сделал дизайнерское оформление для детской каюты на яхте Cristina O Аристотеля Онассиса для маленькой дочери греческого мультимиллионера.

Л.Бемельманс скончался в Нью-Йорке от рака поджелудочной железы. В настоящее время написанные им полотна оцениваются в сотни тысяч долларов США.