Apenas contaba siete años de edad cuando experimentó lo que podría describirse mejor como un despertar espiritual. Siempre había dicho sus oraciones matinales y vespertinas, pero desde entonces y por iniciativa propia, recitó a diario el oficio de Nuestra Señora, los siete salmos penitenciales y otras devociones, siempre de rodillas y sin cojincillo. Su propia entrega a Dios en su infancia fue tan completa que, según su director espiritual, San Roberto Belarmino, y tres de sus confesores, nunca, en toda su vida, cometió un pecado mortal.
En 1577 su padre lo llevó con su hermano Rodolfo a Florencia, Italia, dejándolos al cargo de varios tutores, para que aprendiesen el latín y el idioma italiano puro de la Toscana. Cualesquiera que hayan sido sus progresos en estas ciencias seculares, no impidieron que Luis avanzara a grandes pasos por el camino de la santidad y, desde entonces, solía llamar a Florencia, "la escuela de la piedad".
Un día que la marquesa contemplaba a sus hijos en oración, exclamó: «Si Dios se dignase escoger a uno de vosotros para su servicio, "¡qué dichosa sería yo!". Luis le dijo al oído: «Yo seré el que Dios escogerá.». Desde su primera infancia se había entregado al la Santísima Virgen. A los nueve años, en Florencia, se unió a Ella haciendo el voto de virginidad. Después resolvió hacer una confesión general, de la que data lo que él llama «su conversión».
A los doce años había llegado al más alto grado de contemplación. A los trece, el obispo San Carlos Borromeo, al visitar su diócesis, se encontró con Luis, maravillándose de que en medio de la corte en que vivía, mostrase tanta sabiduría e inocencia, y le dio él mismo la primera comunión.