Laurent Bili est né à Trèves, alors en Allemagne de l'Ouest, où son père militaire était en garnison. Au gré des affectations de celui-ci, il change souvent de domicile. Il passe notamment deux ans en Polynésie durant sa petite enfance. Ayant des racines bretonnes, il n’a commencé à vivre en France métropolitaine qu’à partir de ses dix ans[1].
Il est élève de l’ENA au sein de la promotion «Victor Hugo», de 1989 à 1991, au titre du concours interne, puisqu'il a passé le concours quand il était professeur auxiliaire d'histoire-géographie. Il fut également surveillant d'externat pendant une partie de ses études supérieures (1982 à 1984).
Après avoir occupé des fonctions dans l'enseignement de 1984 à 1988, il est élève de l'École nationale d'administration de 1989 à 1991. À la sortie de l’École, il choisit, au vu de son classement, la carrière diplomatique et intègre le corps des secrétaires des affaires étrangères. Il est d'abord affecté à la Direction des affaires stratégiques et du désarmement, où il reste de 1991 à 1993, avant de devenir conseiller diplomatique adjoint du ministre d’État, ministre de la Défense de 1993 à 1995 (François Léotard).
Il est ensuite premier secrétaire à Ankara de 1995 à 1998. Il est nommé en 1998 représentant permanent adjoint à la Représentation permanente de la France auprès de l’Union de l'Europe occidentale à Bruxelles.
De retour à l'administration centrale en 2000, il est conseiller auprès du comité politique et de sécurité intérimaire de l’Union européenne, puis brièvement sous-directeur des affaires stratégiques à l'administration centrale avant d'être nommé directeur de cabinet puis conseiller auprès du ministre délégué aux affaires européennes (Renaud Donnedieu de Vabres puis Noëlle Lenoir). Il est de 2002 à 2007 conseiller technique à la cellule diplomatique de la présidence de la République sous Jacques Chirac.
Il assume son premier poste d'ambassadeur en 2007 à Bangkok, avant d'exercer de 2009 à 2010 la fonction de directeur du cabinet civil et militaire auprès du ministre de la Défense Hervé Morin.
Il devient ensuite à compter du directeur général de la mondialisation, de la culture, de l'enseignement et du développement international[4] et président du conseil d'administration de l'Agence pour l'enseignement français à l'étranger[5].
Il occupe ensuite le poste d'ambassadeur de France en Chine, à Pékin[6], avant d'être nommé ambassadeur de France aux États-Unis le [7].