Extremeña de Jaraicejo (Cáceres), nacida en 1566, fue hija de padres nobles, Francisco de Carvajal y Vargas y María de Mendoza y Pacheco. Era la sexta hija después de cinco varones. La familia se trasladó a León siguiendo la trayectoria profesional del padre. Quedó huérfana pronto de padre y madre y se fue a vivir con su tía abuela materna, María Chacón, ama de llaves de la familia real. De los seis a los diez años Luisa vivió en el Palacio Real de Madrid, acompañando a la princesa Juana, hermana de Felipe II. Juana de Austria era entonces viuda de Juan Manuel de Portugal (éste había muerto en 1554). Había tenido con su marido un hijo, Sebastián, que dejó en Portugal para volver a España a ejercer como regente. Muy vinculada a la Compañía de Jesús, Juana murió en 1573 a los treinta y ocho años.
La misma vinculación con la Compañía la tuvo Luisa de Carvajal que muerta su protectora, Juana, marchó a Soria y a Pamplona con su tío, Francisco Hurtado de Mendoza, el Marqués de Almazán, virrey de Navarra. Las relaciones con su tío no fueron fáciles, aunque sin duda le propiciaron una buena educación. El marqués la sometió a duras penitencias auténticamente sádicas: obligación de flagelarse cuatro días a la semana, retención de las necesidades fisiológicas, azotes...
En 1592 murió su tío y ella inició una vida religiosa tras renunciar a la herencia familiar que donó a los jesuitas. Abandonó sus costumbres nobiliarias, adoptó vestimenta monástica y estableció una especie de beaterio, una comunidad de mujeres solteras devotas del cristianismo primitivo. A los veintisiete años hizo una serie de votos de pobreza, de obediencia, de mayor perfección y de martirio. Se le permitió comulgar a diario y sus éxtasis se incrementaron.
En 1595, conmovida por la ejecución en Inglaterra del jesuita inglés Henry Walpole, decidió dedicar su fortuna a la creación y mantenimiento del Colegio Inglés de Lovaina. En 1601 se trasladó a Valladolid y allí reclutó a mujeres nobles dispuestas a acompañarle a Londres a la busca del martirio. Finalmente se fue a esta ciudad, en 1605, en un viaje que duraría cinco meses.
Durante su estancia en Londres se dedicó a visitar católicos, realizar misiones evangelizadoras, recuperar cuerpos de mártires católicos, apoyada por la embajada de España. Pronto la labor de Luisa chocó con el arzobispado de Canterbury y con la diplomacia británica.
En octubre de 1613 es detenida junto a tres mujeres. Tras situaciones muy difíciles se libraría de la condena a muerte por el embajador español en Londres Diego de Sarmiento Gondomar. Fue retenida en casa del embajador y allí moriría en enero de 1614. Su vieja amiga Mariana de San José, fundadora del monasterio de la Encarnación de Madrid, logró llevarse sus restos a Madrid y enterrarlos en este convento. Su beatificación fue promovida por Felipe IV, en 1626, pero la propuesta no llegó a ser admitida en Roma y su causa se estancaría en plena ofensiva contra los jesuitas a mediados del siglo XVIII. Escribió sobre ella una biografía, poco después de su muerte, Luis Ramírez en 1631 y después no han sido pocos los historiadores que han escrito sobre ella: A. Cruz, G. Redworth, E. Rhodes, M. N. Pinillos y M.L. García Verdú.
Luisa representa la religiosidad femenina no disciplinada en los conventos, que ejerció sus criterios muy por libre, aunque siempre estuvo marcada por las directrices jesuitas. Ella contó en cuatro obras (Voto de pobreza, de obediencia, de mayor perfección y de martirio) de 1593 a 1598 lo que fue su vida sometida a disciplinas feroces desde los quince años siguiendo las directrices de su tío y luego ya a su manera entregada a las efusiones místicas con poesías que recuerdan a Santa Teresa. Luisa desde su condición de beata, no apoyada en la infraestructura conventual, apostó por lo más difícil: entrar en la Inglaterra anglicana y generar una dinámica de reversión al catolicismo. Se trataba de una utopía y como tal fracasó. Pero siempre nos quedará la imagen de Luisa de Carvajal y Mendoza como la mujer que intentó prácticamente ella sola darle la vuelta a la historia religiosa de Inglaterra.