Ludwig Traube war der älteste Sohn eines jüdischen Weinkaufmanns. Als einer der jüngsten Absolventen erwarb er mit nur 17 Jahren 1835 das Reifezeugnis am Gymnasium in Ratibor. Er studierte in Breslau, Berlin und Wien Medizin – u. a. bei Jan Evangelista Purkinje (1787–1869) und Johannes Peter Müller (1801–1858). Daneben betrieb er philosophische Studien mit besonderem Interesse für die Philosophie Spinozas. Im Jahr 1840 promovierte er u. a. über das Lungenemphysem („Specimina nonnulla physiologica et pathologica“), erweiterte sein Wissen bei Karl Freiherr von Rokitansky (1804–1878) und Josef von Škoda (1805–1881) in Wien. Ab 1841 war er Assistent eines Armenarztes in Berlin. Im Jahr 1848 habilitierte er sich als Privatdozent und wurde 1849 erster Zivilassistent von Johann Lukas Schönlein (1793–1865) an der Charité. Ludwig Traube war zumindest als Arzt in die revolutionären Ereignisse des Jahres 1848 involviert. Der später bedeutende Botaniker Nathanael Pringsheim (1823–1894), der zum Freundeskreis Traubes gehörte, geriet in die bewaffneten Auseinandersetzungen in Berlin, und wurde verhaftet.
Ein lebensgefährlich verletzter Freund Pringsheims konnte dank der Hilfe Ludwig Traubes gerettet werden. Im Jahr 1853 wurde Traube dirigierender Arzt der Abteilung für Lungenkranke der Charité und später Leiter der propädeutischen Klinik. Außerdem erstreckte sich seine Tätigkeit auf die Lehre an den militärärztlichen Bildungsanstalten. In der Inneren Abteilung des Krankenhauses der jüdischen Gemeinde in Berlin war er Chefarzt. Seine jüdische Abstammung war ein erhebliches Hindernis für die akademische Karriere, trotzdem wurde Traube 1857 außerordentlicher und 1862 ordentlicher Professor am Friedrich-Wilhelms-Institut in Berlin. 1858 trat er der Gesellschaft der Freunde bei. Im Jahr 1866 wurde er Geheimer Medizinalrat und 1872 ordentlicher Professor an der Berliner Universität. Ludwig Traube litt an einer ischämischen Herzkrankheit, an der er vermutlich verstorben ist. Seine Grabstätte befindet sich auf dem jüdischen Friedhof Berlin Schönhauser Allee und ist erhalten.
Ludwig Traube stand in engem Kontakt zu seinem Bruder Moritz Traube, der als außergewöhnlicher Privatgelehrter wegbereitend für die physiologische Chemie war. Der bekannte Berliner Arzt Moritz Litten (1845–1907) war sein Schwiegersohn. Verheiratet war Ludwig Traube mit Cora Marckwald, aus der Ehe gingen 3 Mädchen und 2 Jungen hervor. Lange vor der Ära der Serum- und Antibiotika-Therapie konnte er seinen ältesten, mit 5 Jahren an Diphtherie erkrankten Sohn nicht vor dem Tod retten, was ein nachhaltig traumatisches Ereignis für Traube war. Der zweite Sohn, Ludwig Traube (1861–1907), war ein bekannter Philologe und Paläograph; die Tochter Margarete Traube (1856-1912) heiratete den Arzt und Professor der Physiologie in Rom Franz Boll (1849-1879). Seine Neffen Wilhelm Traube (Chemiker, 1866–1942) sowie Albert Fraenkel (Internist, 1848–1916) gehören weiterhin zur Gelehrtenfamilie Traube-Litten-Fraenkel, die in den Nachfolgegenerationen noch weitere hervorragende Vertreter der Natur- und Geisteswissenschaften hervorgebracht hat.