L’Huillier begann ihre wissenschaftliche Laufbahn in Saclay (Frankreich) und arbeitet seit 1997 an der Universität Lund (Schweden) als Professorin für Atomphysik. Seit 2004 ist sie Mitglied der Schwedischen Akademie der Wissenschaften und war von 2007 bis 2015 Mitglied im Nobelkomitee für Physik.