Das Ludwigsgymnasium ging aus dem privaten Gymnasium des Instituts "Seminar für arme Studierende" (dem heutigen Albertinum) hervor. Der Leiter des Seminars wollte 1810 eine eigene Lehranstalt errichten. Seine Zöglinge sollten nicht mehr das ehemalige Jesuitengymnasium besuchen. Die Schule erhielt den Namen "Neues Gymnasium", während das ehemalige Jesuitengymnasium in "Altes Gymnasium" (das heutige Wilhelmsgymnasium) umbenannt wurde. Das war die Geburtsstunde des Ludwigsgymnasiums. Es befand sich im westlichen Flügel des alten Karmeliterklosters hinter der Michaelskirche in der Maxburgstraße. Das Albertinum blieb im südlichen Flügel in der alten Karmelitergasse.

In ihrer Zeit bis 1875 wuchs die Zahl der Schüler an den beiden Gymnasien derart, dass eine neue höhere Schule gegründet werden musste: das Maximiliansgymnasium. Das "Alte Gymnasium" erhielt den Namen "Wilhelmsgymnasium", das "Neue Gymnasium" wurde zum "Ludwigsgymnasium".

Der Nationalsozialismus konnte unter Schülern und Lehrern noch nicht viele Anhänger gewinnen. Der damalige stellvertretende Direktor des Ludwigsgymnasiums Georg Stang wurde in sogenannte Schutzhaft ins KZ Dachau gebracht. Dieser hatte in seiner Zeit als Präsident des Bayerischen Landtags uniformierte Abgeordnete der Nationalsozialistischen Partei von mehreren Sitzungen des Landtags ausgeschlossen. Im Lauf der 30er Jahre steigerte sich aber die Einflussnahme des Regimes bis in den Unterricht hinein.

Im Zweiten Weltkrieg ging das Ludwigsgymnasium "unter", zumindest das Haus in der Maxburgstraße. Die ersten Bomben trafen das Gebäude schon 1943, im Januar 1945 brach es nach einem Angriff völlig zusammen. Danach wurde das Gelände zwischen Lenbachplatz, Pacellistraße, Maxburg- und Karmeliterstraße geräumt - bis auf den Turm der Maxburg sowie Reste der Karmeliterkirche - und neu überbaut.

Dem neu ernannten Direktor Dr. Karl Mayr war es zu verdanken, dass es das Ludwigsgymnasium noch gibt. Nach langen Verhandlungen gelang es ihm, einen Neubau im Friedenheimer Park durchzusetzen.

Wiederaufnahme des Unterrichtsbetriebs.

Aufgrund der stetig anwachsenden Schülerzahlen (1980: 1615 Schülerinnen und Schüler), mussten bis 1986 Klassenzimmer in der Georg-Büchner- und Gilmschule bezogen werden. Daher war ein Erweiterungsbau notwendig, der die Oberstufenschüler des Ludwigsgymnasiums und die seines naturwissenschaftlichen Pendants, des Erasmus-Grasser-Gymnasiums, aufnehmen soll.

Nachdem die Raumnot am gemeinsamen Schulcampus in den letzten Jahren immer größer geworden ist, beschloss die Stadt München 12 Pavillon-Klassenzimmer zu erreichten, welche zu 1/3 vom Ludwigsgymnasium und zu 2/3 vom Erasmus-Grasser-Gymnasium nutzbar sind. Nach einem Jahr Planungsphase wurden die Bauarbeiten im April 2017 begonnen. Die Übergabe fand am 14.09.2017 statt, so dass die Räume möbliert und mit modernster Technik für den Unterrichtsbetrieb ausgestattet werden konnten. Nach den Allerheiligenferien 2017 bezogen die Schüler*innen der Q11 die vier Klassenzimmer im obersten Stockwerk.
Da der Pavillonbau auf der Fläche des ehemaligen Wäldchens mit den Fahhradständern gebaut wurde, mussten ersatzweise Fahrradständer auf dem davor liegenden Stück Pausenhof errichtet werden.