Fils de Charles Auguste Le Tonnelier de Breteuil (1701-1731) et de Marie Anne Françoise Goujon de Gasville (1714-1753), Louis Auguste Le Tonnelier de Breteuil est né le 7 mars 1730 à Azay-Le-Ferron (Indre). Il commence une carrière des armes en servant dans l'armée comme guidon de gendarmerie durant la guerre de Sept Ans. Puis il sert dans la diplomatie royale : il est successivement ministre plénipotentiaire auprès de Clément-Auguste de Bavière, archevêque-électeur de Cologne (1758), ambassadeur en Russie auprès de Catherine II (1760-1763), ambassadeur en Suède auprès du roi Gustave III (1763-1766) qui lui offre un service de vaisselle en porcelaine à ses armoiries, provenant de la manufacture de Marieberg. En Suède il se lie avec Frédéric von Fersen, père du comte Axel de Fersen.

Breteuil est ensuite envoyé à Vienne, puis à Naples, puis de nouveau à Vienne. Il est, au nom de Louis XVI, médiateur durant la guerre de Succession de Bavière qui, après la mort de l'électeur Maximilien III Joseph de Bavière décédé sans postérité, opposait la Prusse et l'Autriche et il est l'acteur principal de la négociation du traité de paix de Teschen, signé le 13 mai 1779, qui permet de résoudre ce différend. Il reçoit en cadeau à cette occasion la table dite de Teschen. De 1775 à 1780, il remplace à Vienne le cardinal de Rohan. En 1780, il accepte d’être grand viguier d’Andorre.

Le baron de Breteuil revient en France en 1783 et est nommé ministre de la Maison du roi. Chargé en 1784, avec le contrôleur général des finances Calonne, de négocier avec le duc d'Orléans le rachat par Louis XVI du domaine de Saint-Cloud, il reçoit en récompense, le pavillon du Mail, qu'on appelle désormais le pavillon de Breteuil. C'est lui qui, le 15 août 1785, fait arrêter son ennemi le cardinal de Rohan, impliqué dans l'affaire du collier de la reine, ce qui lui vaut la reconnaissance de Louis XVI. A Paris, il fait démolir les dernières maisons construites sur les ponts et s'intéresse à l'amélioration des conditions d'hospitalisation dans les hôpitaux. Membre de l'Académie des sciences depuis le 11 décembre 1785, il s'intéresse aux travaux de Montgolfier et du physicien Charles, soutient les expériences des vols de ballons habités et crée dans l’armée le corps des aérostiers.

En raison d'un désaccord avec Calonne (il s'oppose à la convocation des États Généraux), le baron de Breteuil démissionne de ses fonctions le 24 juillet 1788. Ayant néanmoins conservé la confiance du roi, il est fréquemment consulté par celui-ci sur l'évolution de la situation à la veille de la Révolution française. Lors du renvoi de Jacques Necker et des ministres libéraux le 11 juillet 1789, Louis XVI nomme le baron de Breteuil pour lui succéder comme principal ministre, mais, dès le 16 juillet, Louis XVI doit toutefois rappeler Necker. Breteuil émigre alors le 17 ou 18 juillet 1789 en Allemagne, puis en Suisse.

Retiré à Soleure (siège de l'ambassade de France de 1789 à 1792), il reçoit en novembre 1790 une lettre de Louis XVI lui donnant pouvoir pour « traiter avec les cours étrangères et proposer en son nom toutes les mesures qui pourraient tendre à rétablir l'autorité royale et la tranquillité intérieure dans le royaume ». Après l'échec de la fuite de la famille royale, qu'il a contribué à préparer avec le comte de Fersen (juin 1791), Breteuil reçoit de Louis XVI la mission d'être son intermédiaire avec ses frères, les Princes, et de traiter secrètement avec les cours étrangères. Objet d'attaques violentes de la part de l'entourage des princes, il se retire à Hambourg après l'exécution du roi et de Marie-Antoinette (1793).

Il regagne la France en 1802. À son retour, il tente, mais sans succès, d'obtenir la restitution du pavillon de Breteuil, devenu bien national. Ruiné par la Révolution qui a saisi tous ses biens en tant qu'émigré, il vit dans un grand dénuement, il n'est sauvé de la misère que par l'héritage d'une cousine, la marquise de Créquy qui lui lègue son château de Montflaux à Saint-Denis-de-Gastines. Il meurt en 1807.

Le baron de Breteuil a épousé en 1752 Françoise Philiberte Jérôme Parat de Montgeron (1737-1765), dont il a une fille unique, Angélique-Marie Élisabeth Émilie Le Tonnelier de Breteuil (1757-1833), qui épouse en 1772 le comte Louis Charles Auguste de Goyon de Matignon (1755-1773). Leur fille, Anne Louise Caroline de Goyon de Matignon, comtesse de Gacé (1774-1846), épouse en 1788 à Anne Charles François, duc de Montmorency (1768-1846).