Siendo apenas un infante, el 1 de julio de 1709, enfermó por primera vez de varicela, también conocida como viruelas locas, lo que dejará mermada su salud. Durante un tiempo pareció robustecerse, pero esta dolencia volvería para acabar con su vida años más.
Luis era aficionado a la vida de ejercicio al aire libre y sabía ganarse voluntades y afectos, cualidades que favorecieron el trato con niños de rango social inferior, esto es, hijos de los criados de palacio, con los que compartía diversiones y de quienes aprendió el habla madrileña popular.
Sin duda, uno de los momentos reseñables en la infancia de Luis fue el segundo matrimonio de su padre, Felipe V, con Isabel de Farnesio. Las capitulaciones de dicho enlace regio fueron precisamente firmadas en el séptimo cumpleaños del joven príncipe. Mucho se ha escrito sobre la relación entre Luis y su madrastra, pero parece que, aunque en un principio dicha relación se caracterizó más bien por su distancia y pulcra cordialidad, pasó a ser, años más tarde, sumamente cercana debido a la difícil situación que provocaba la presencia de María Luisa de Orleans, aquella que sería esposa de Luis y que había sido sugerida precisamente por Isabel de Farnesio.
Luis acompañaba a su padre en los desplazamientos de la Corte a los Sitios Reales, participando en las cacerías —cuestión muy criticada entre la gente—, pese a no tener más de nueve años y a que el médico del Rey, Burlet, vaticinaba que el heredero estaba amenazado del mismo mal que acabó con su madre.
Su educación, influenciada primero por María Luisa de Saboya y después por Isabel de Farnesio, se basó en los pilares de la fe, la familia, la monarquía, la etiqueta cortesana, el estudio de idiomas y conocimientos en la disciplina militar, las matemáticas y la literatura.