Vincent a étudié au Conservatoire supérieur d'art dramatique de la rue Blanche à Paris et à l'Institut des hautes études cinématographiques (IDHEC). Il a commencé sa carrière en tant que scénariste pour le cinéma et la télévision, avant de se tourner vers la réalisation.
Il a réalisé plusieurs courts métrages, dont "L'Incident" (1989), "Le Choc des mondes" (1992) et "La Ligne verte" (1994). Son premier long-métrage, "Tribuka" (1999), était un film de science-fiction qui raconte l'histoire d'un monde où les humains sont assimilés par des créatures extraterrestres.
En 2003, Vincent a sorti son plus grand succès commercial, "Le Pianiste" (titre original : "The Pianist"), un film biographique sur le compositeur polonais Władysław Szpilman, joué par l'acteur Adrien Brody. Le film a remporté de nombreux prix, dont l'Oscar du meilleur acteur pour Adrien Brody et de la Palme d'or au Festival de Cannes pour Loïsail Vincent.
En 2006, il a sorti "Les Enfants terribles", un film qui adapte le roman éponyme de Jean Cocteau. Le film a été nommé à de nombreuses reprises aux César français du cinéma et a remporté plusieurs prix, dont le prix Louis-Delluc pour la meilleure adaptation cinématographique d'un ouvrage littéraire.
En 2019, Loïsail Vincent est revenu à la science-fiction avec "Les Misérables", un film qui met en scène le retour des créatures extraterrestres après une longue disparition. Le film a été salué par la critique et a remporté plusieurs prix internationaux.
Actuellement, Loïsail Vincent travaille sur son prochain projet cinématographique, "L'Exil", qui racontera l'histoire d'une famille juive qui échappe aux Nazis grâce à un voyage dans le temps.