Rechignant à se rendre dans un pays où le climat pourrait aggraver ses rhumatismes, Louis, comme tout le monde, plia devant la volonté de l’Empereur.
Roi de Hollande en 1806, contre toute attente et à la colère de Napoléon, Louis manifesta des velléités d’indépendance. Il tâcha de gagner l’affection de ce peuple auquel il était imposé et de justifier son autorité. Il entama l’apprentissage de la langue et visitait régulièrement son royaume. Il s’attaqua à la réforme de la législation, fonda différents instituts, etc. Malgré les critiques, il finit par acquérir le respect de la nation. Sensé n’être qu’un roi fantoche à la botte de son frère, il s’attira les foudres de ce dernier qui voyait son cadet faire passer les intérêts de la Hollande avant les siens malgré l’étroite tutelle sous laquelle il le tenait. Ainsi, fort aimablement lui rappela-t-il : « Tout le monde sait que, hors de moi, vous n’êtes rien. »
Osant s’opposer à la conscription comme le voulait Napoléon, refusant le trône d’Espagne que celui-ci lui proposait, le ton monta encore entre les deux frères jusqu’à ce que Louis soit contraint de céder le sud de la Hollande à la France. Neurasthénique, sans consulter l’Empereur, il abdiqua en faveur de son jeune fils Napoléon-Louis Bonaparte, qui fut roi de Hollande quelques jours.
En juillet 1810, Louis quittait son royaume. Une semaine après son abdication, la Hollande était incorporée à l’Empire. La même année Hortense et Louis se séparèrent.
Il voyagea en Europe avant de se fixer en Italie. Louis vivait dans une retraite misanthropique, se consacrant aux lettres et à un essai historique de justification de son gouvernement. Certains estiment qu’il s’avéra aussi mauvais écrivain que médiocre souverain.
Après avoir assisté aux tentatives de prise de pouvoir de son dernier fils, Louis-Napoléon, futur Napoléon III, il s'éteignit dans la solitude à Livourne.
En 1804, il avait acheté le château de Saint-Leu où il séjourna peu. D’abord inhumé à Florence en l'église Santo-Spirito, selon ses dernières volontés, son corps fut rapatrié en l'église de Saint-Leu.