Luca Marinelli nasce a Roma il 22 ottobre 1984. Dal 2006 frequenta l'Accademia Nazionale d'Arte Drammatica Silvio D'Amico, diplomandosi nel 2009. La sua carriera inizia sul palcoscenico: tra il 2006 e il 2009 è impegnato in diversi spettacoli teatrali come Fedra's Love, Tempo scaduto e Waterproof.
Nel 2009, durante una replica di Sogno di una notte di mezza estate, viene notato dal regista Saverio Costanzo che lo chiama per interpretare il ruolo del protagonista maschile nel film La solitudine dei numeri primi, al fianco di Alba Rohrwacher. La pellicola, presentata alla 67esima edizione della Mostra internazionale del Cinema di Venezia, segna il debutto cinematografico per l'attore.
Dopo aver preso parte a L'ultimo terrestre di Gian Alfonso Pacinotti, Waves di Corrado Sassi e Nina di Elisa Fuksas, viene candidato al David di Donatello, al Nastro d'Argento e al Globo d'Oro per la sua interpretazione nel film Tutti i santi giorni (2012) di Paolo Virzì, dove recita accanto a Thony. Nel 2013 è nel cast de La grande bellezza di Paolo Sorrentino e, nello stesso anno, viene insignito delll'ambito Shooting Star Award al Festival di Berlino.
Nel 2015 è protagonista del lungometraggio di Claudio Caligari, Non essere cattivo, ruolo che gli vale nuovamente una nomination ai David di Donatello nonché il Premio Pasinetti come Miglior Attore alla 72esima Mostra del Cinema di Venezia. Da lì inizia un sodalizio con Alessandro Borghi, che recita insieme a lui nel film, divenuto cult postumo dopo la morte prematura del regista.
Successivamente, interpreta "Lo Zingaro" nel film Lo chiamavano Jeeg Robot di Gabriele Mainetti come antagonista di Claudio Santamaria; la sua interpretazione regala finalmente all'attore il suo primo David di Donatello come Miglior Attore non Protagonista.
Nel 2017 prende parte alle pellicole Slam - Tutto per una ragazza, Il padre d'Italia, Lasciati andare e Una questione privata mentre l'anno dopo l'attore appare, prima sul grande schermo e poi in televisione, nei panni di Fabrizio De André nella miniserie biografica Fabrizio De André - Principe Libero.
Il 2019 è l'anno di Martin Eden, film tratto dall'omonimo romanzo del 1909 e diretto da Pietro Marcello. Per il ruolo da protagonista in questa pellicola, vince la Coppa Volpi per la Miglior Interpretazione Maschile alla 76esima edizione del Festival di Venezia.
Nel 2020, dopo una lunga gestazione causa diritti e pandemia che lo farà uscire in sala solo l'anno successivo, è il Re del Terrore nato dalle sorelle Giussani sulle pagine di Astorina in Diabolik dei Manetti Bros, accanto a Miriam Leone nel ruolo di Eva Kant e Valerio Mastandrea nei panni dell'ispettore Ginko. Il progetto diventa una trilogia ma lui aveva firmato per un solo film e altri impegni di set portano ad un recasting dal secondo capitolo con Giacomo Gianniotti.
Nel 2020 è nel cast principale di The Old Guard, co-produzione internazionale Netflix diretta da Gina Prince-Bythewood (che avrà un sequel di altrettanta lunga gestazione e uscirà nel 2025, diretto da Victoria Mahoney). È basato sul fumetto omonimo di Greg Rucka e Leandro Fernandez, su un gruppo di mercenari immortali secolari che devono lottare per la libertà e per il loro segreto, sfuggendo da chi vuole usare il loro "dono" per fini di lucro, dove recita accanto a Charlize Theron, KiKi Layne, Matthias Schoenaerts, Luca Marinelli, Marwan Kenzari e Chiwetel Ejiofor. La coppia che il suo Niccolò/Nicky forma sullo schermo con il Joe di Kenzari fa presto il giro del mondo e nella comunità LGBTQIA+.
Nel 2022 ritrova l'amico e collega Borghi in Le otto montagne, film scritto e diretto da Felix Van Groeningen e Charlotte Vandermeersch, tratto dall'omonimo romanzo del 2017 di Paolo Cognetti, vincitore del Premio Strega: la pellicola vince il Premio della Giuria al 75º Festival di Cannes, oltre a 4 David di Donatello.
Si dà da fare anche nella serialità: oltre alla miniserie Maria di Nazaret (2012), dove conosce la futura moglie, l'attrice tedesca Alissa Jung (che sposerà nel 2018 e da cui avrà un figlio nel 2025). Lì interpretano Maria e Giuseppe e lei lo dirigerà nella sua opera prima Paternal Leave (2025).
Nel 2018 è nella miniserie FX diretta da Danny Boyle sul rapimento Getty Trust - Il Rapimento Getty, girata anche in Italia, in cui interpreta Primo.
Nel 2024 diventa Benito Mussolini in M. Il figlio del secolo, la serie diretta da Joe Wright e tratta dall'omonimo romanzo di Antonio Scurati, presentata al Festival di Venezia e in onda su Sky il gennaio successivo, che non proseguirà al momento con una seconda stagione. La sua interpretazione sopra le righe viene lodata e apprezzata da critica e pubblico.
È protagonista del sequel videoludico di Hideo Kojima **Death Stranding 2: On the Beach negli stessi anni, oltre a doppiare un giovane Mufasa nel prequel "live action" Disney Mufasa: Il Re Leone, diretto da Barry Jenkins e uscito a Natale.
2019 Premio Coppa Volpi per la migliore interpretazione maschile per Martin Eden
2015 Premio Premio Francesco Pasinetti (SNGCI) - Miglior attore per Non essere cattivo
2013 Candidatura Miglior attore protagonista per Tutti i santi giorni
2013 Candidatura Attore protagonista per Tutti i santi giorni
2025 Recitazione
2022 Recitazione
2021 Recitazione
2019 Recitazione
Il comic movie all'italiana di Gabriele Mainetti è stato il link che ha creato la connessione tra Luca Marinelli e il maestro dei videogame alla ricerca di un nuovo villain per Death Stranding 2.
Non diverso dal primo capitolo, ma senza il valore aggiunto della novità, The Old Guard 2 scivola via stanco e innocuo. Un peccato non sfruttare il gran cast, da Charlize Theron a Luca Marinelli. Su Netflix.
L'emotività, un mondo comodo, una società votata ai giudizi facili. La nostra intervista alla regista e ai protagonisti. Al cinema.
Tantissimi ospiti, film ed eventi nella nuova edizione della manifestazione romagnola, in programma 7 all'11 maggio, film di apertura Ari di Léonor Serraille.
Dopo l'esordio alla Berlinale, un trailer anticipa l'uscita del debutto alla regia di Alissa Jung interpretato dal marito Luca Marinelli e dall'esordiente Juli Grabenhenrich.