De ascendencia montañesa, siempre se mostró orgulloso de considerarse campurriano. Era sobrino del pintor Casimiro Sainz. Su infancia transcurrió en Madrid, donde cursó bachillerato en el instituto Cardenal Cisneros. Continuó sus estudios en la Universidad Central, iniciando los de Ingeniero Agrónomo. En 1890 obtuvo la Licenciatura en Ciencias Naturales y el Doctorado en 1895 con la tesis “Los cráneos normales y deformados de Perú”. También hizo la carrera de Derecho, culminando la licenciatura en 1893. Llegó a ser catedrático de Agricultura y de Pedagogía y profesor de Fisiología e Higiene escolar. Fundó el Seminario de Arte y Etnografía y desde 1922 se dedicó a los estudios folclóricos y a la acumulación de materiales para el Museo del Pueblo Español, abierto en 1934. En 1933 fue elegido miembro de la Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Tuvo una escasamente conocida actividad política, siendo senador por la provincia de Santander en 1923 por el Partido Reformista y candidato al Congreso en las filas del republicanismo radical.

Su primer trabajo consistió en un estudio de los grupos raciales de Filipinas, a raíz de la Exposición General de 1887. Entre sus múltiples trabajos y publicaciones destacan obras como Técnica Antropológica (1893) y La Antropología (1915). Colaboró en diversas tareas con el profesor Aranzadi, con quien guardó una gran amistad. Entre esas tareas sobresale su dedicación al estudio de la Antropología hispánica. Juntos publicaron Un avance a la Antropología de España (1892), Interpretación de la nupcialidad, fecundidad y natalidad en España (1900) o Unidades y constantes de la crania hispánica (1911). Además de estas obras, Luis de Hoyos dedicó otros estudios a la que consideraba su tierra en Notas sobre la geología de Campoo (1891), Los campurrianos (ensayo de antropometría) (1893), La dolomitización en el valle de Campoo (1909) y El nudo cántabro-ibérico y el Pico de Tres Mares (1929). Ya en su vejez escribió Antropología prehistórica española (1947) y Manual del folklore. La vida popular tradicional (1947), en colaboración con su hija Nieves, que continuaría los estudios de su padre. En 1952 vieron la luz sus obras póstumas Antología de Ángel de los Ríos, sobre el famoso “Sordo de Proaño”, y Lugar y límites de la Etnología y el Folklore en las ciencias sociológicas.

Miguel Ángel García Guinea, dijo de él: “Fue antes de todo, mucho antes que etnólogo y antropólogo, un verdadero humanista, inquieto por las más distintas ramas del saber y, precisamente por eso, porque consiguió defenderse de la atenazadora especialización, fue -magnífica paradoja- un gran especialista y un gran ordenador de la antropología y de la etnología, que entonces empezaba sus primeros balbuceos científicos en España”.