Luis nació el 11 de marzo de 1814 en Casoria (Nápoles), hijo de Vicente Palmentieri y Cándida Zegna. Duró poco tiempo colocado como aprendiz donde un ebanista napolitano, pues inició los estudios para el sacerdocio. La pobreza de sus padres lo movió hacia la vida religiosa y en 1832 fue recibido en la Orden de los Hermanos Menores. Enviado como novicio a Lauro, cerca de Nola, permaneció allí hasta la ordenación sacerdotal. En 1841 se le encomendó la enseñanza de la filosofía, matemáticas, física y química. Mientras oraba en la iglesia de San José dei Ruffi, en Nápoles, sufrió un desmayo, de modo que cayó en tierra sin sentido. De allí en adelante se dedica a las más variadas obras sociales y de caridad. Instituyó una enfermería y una farmacia para los franciscanos enfermos. Se prodigó por la difusión de la Tercera Orden en Campania, inculcándole la caridad, pues, decía: «La Tercera Orden sin una obra de caridad, ni me agrada ni la deseo».

En 1854 el sacerdote genovés Juan Bautista Olivieri le inspiró la obra destinada al rescate y a la formación cristiana de los niños africanos negros vendidos como esclavos. A ella se dedicó Luis con apasionado entusiasmo y comenzó a acoger el 8 de noviembre de 1854 en el convento que había en el Escudillo llamado de la Palma, a los dos primeros negros encomendados por el P. Olivieri, a quienes él educó en su casa obteniendo resultados alentadores. Este primer experimento indujo a Luis a proyectar el envío de misioneros a África, porque «el África debe convertir al África». En agosto de 1856 en La Palma, Luis ya había reunido nueve niños negros, de los cuales cinco fueron bautizados por el cardenal de Nápoles. El 9 de abril de 1857 se embarcó para El Cairo, visitó los Santos Lugares y regresó de Alejandría con otros 12 niños negros. Este pequeño núcleo familiar de futuros misioneros indígenas aumentó tanto, que en 1858 eran ya 38 y en 1859 eran 45 y posteriormente llegaron a 64.

Igual proyecto realizó Luis para las niñas negras. Ayudado de la Ven. Ana María Lapini, fundadora de las Hermanas Estigmatinas, fundó un colegio para negras en Florencia y otro en Capodimonte en Nápoles. En 1864 en Nápoles fundó una academia de religión y ciencias para la cual obtuvo el apoyo de ilustres escritores. Fundó el periódico «La Carità». Estas generosas iniciativas le atrajeron la admiración de muchos, inclusive anticlericales, y fue condecorado con la Cruz de la Orden de los Santos Mauricio y Lázaro.

Promovió también numerosas obras de beneficencia en favor de niños huérfanos, sordomudos, raquíticos, enfermos, para los cuales fundó diversos institutos que confió en su mayoría a dos congregaciones fundadas por él mismo: los terciarios franciscanos regulares, llamados Frati Bigi de la caridad para los hombres, y la congregación de las Hermanas Bigie o Elisabetinas para las mujeres. Para residencia de sus misioneros obtuvo de la Congregación de Propaganda Fide la estación africana de Scellal, donde se trasladó personalmente y tomó posesión el 12 de noviembre de 1875.

Encomendó a sus Frati Bigi la obra de educación de los pequeños negros. El entonces se dedicó con mayor intensidad a la vida espiritual de oración y de íntima unión con Dios que siempre había sabido conciliar con su maravilloso apostolado de caridad. Cansado y entristecido por algunas dificultades en sus obras evangélicas, la muerte lo sorprendió a los 71 años en la mañana del 30 de marzo de 1885. Su cuerpo reposa en el hospicio de Posillipo.