Ancien élève des Beaux-Arts de Paris et du peintre Gérôme, commença sa carrière comme médailleur tout en pratiquant la peinture, mais de façon plus confidentielle. Sa rencontre en 1920 avec Jacques Le Chevalier, graveur et illustrateur, oriente définitivement Louis Barillet vers le décor monumental. Les deux hommes entament leur collaboration rapidement et les premiers vitraux sont datés de 1920. Louis Barillet devient le théoricien du vitrail moderne en France, il renouvelle l’approche du vitrail religieux et civil, tant d’un point de vue plastique qu’iconographique.
Louis Barillet a notamment travaillé avec l’architecte Robert Mallet-Stevens. Ensemble ils ont réalisé des habitations à Paris, particulièrement la maison de Mallet-Stevens dans le XVIe arrondissement, mais aussi des décors pour le Salon d’Automne de 1927 et 1929.