Laurent Boileau est né le 24 septembre 1968 à Compiègne.
Après des études à l'Ecole Supérieure de Réalisation Audiovisuelle de Paris, il travaille pendant 10 ans comme chef opérateur puis comme chef monteur sur une trentaine de documentaires (France 2, France 3, France 5, Canal +, Arte, Planète…). En 1999, il passe à la réalisation avec Un moulin dans le vent, Image d'Or au festival de Pézenas. Il participe ensuite à la série, de 26 x13 min, L'éducation en questions, produite par Mosaïque Films pour France 5. En 2002 et 2003, il réalise Un collège pas comme les autres puis Un autre monde ? respectivement pour Planète future et pour KTO.
Sa passion pour la bande dessinée et plus généralement sur les arts graphiques l'amène à réaliser plusieurs films sur le 9e art : Les Artisans de l'imaginaire (France 3, 2004), Spirou, une renaissance (TLM, 2004), Franquin, Gaston et compagnie (France 5, RTBF, 2005), Les Chevaux de papier (Equidia, 2006), Sokal, l'art du beau (France 3, 2007), La Pologne de Marzi (TV Rennes 35, 2009). À l'occasion des 20 ans de la chute du mur de Berlin, il développe une série d'animation de 10 x 3 min pour la RTBF et curiosphere.tv (diffusée également au festival de Pessac). Parallèlement à son métier de réalisateur, il anime pendant 3 ans le site BD de France Télévisions et chronique sur le site d'actualités Actuabd.
En 2012 sort son premier long métrage d'animation, Couleur de peau: Miel (Approved for Adoption), récompensé par 30 prix dont le Prix du Public au Festival International du Film d'Animation d'Annecy, le Grand Prix au FIFEM de Montréal, le Grand Prix et le Prix du Public au Festival Animafest de Zagreb et le Grand Prix du 17è Festival Media Arts du Japon.
En 2013, il réalise Lady of the Night, un court-métrage d'animation sur une musique originale d'Attie Esterhuizen.
Pour France 3, il réalise Goulet-Turpin, la saga d'un épicier (2015), puis C'est pour la Vie (2018) où il recueille la parole d'adultes porteurs de Trisomie 21.
En 2020, J'irai décrocher la lune, son deuxième long-métrage, sort sur les écrans de cinéma.
Son dernier film, à bras-le-corps (France 3, 2022), dresse le portrait de David Martineau, un élu nantais au corps singulier.