Diplomato al Liceo Classico Romagnosi di Parma nel 2009, trasferitosi a Roma, dal 2010 inizia un percorso di studi frequentando un Seminario intensivo presso DUSE International - Centro Internazionale di Cinema e Teatro, diretto da Francesca De Sapio per poi proseguire dal 2010 al 2013 e partecipare al Laboratorio permanente presso DUSE International diretto da Francesca De Sapio. Si diploma nel 2015 alla Scuola d'arte cinematografica Gian Maria Volonté a Roma, con specializzazione in Recitazione frequentando il biennio dal 2013 al 2015.
Ha partecipato a diversi stage: con Michael Margotta - Roma 2012 (Laboratorio Training, Improvvisazione e Script Analysis), con Emanuele Crialese - Roma 2014, con Stefania De Santis - Roma 2014, con Daniele Vicari, Paolo Giovannucci e Imogen Kusch - Roma 2015, con Fabrizio Gifuni - "Il campo magnetico dell'attore" Roma 2015 (La valigia dell'attore).
Nel 2013 partecipa come musicista al film Tutta colpa di Freud di Paolo Genovese in qualità di autore musica e testo del brano "Two Lovers (The Lost Fever)" inserito nella colonna sonora originale. Attualmente è il frontman, cantante, autore di musica e testi nel gruppo (punk rock italiano) Erezione continua, band fondata con amici nell'ottobre 2004 a Parma.
Nel 2013 è nel cast dello spettacolo teatrale PENELOPE IN GROZNYJ con il ruolo di Teoclimeno per la regia di Marco Calvani. Nel 2015 lavora con il ruolo di Graziano (protagonista) nella piece teatrale "Cent'anni in due" per la regia di Andrea Saraceni. Nel giugno 2015 è nel cast di UNONESSUNO, mokumentary, per la regia di Daniele Vicari. Nel 2016 gira Blue Kids con il ruolo del complice per la regia di Andrea Tagliaferri, prodotto da ARCHIMEDE di Matteo Garrone. Ancora nel 2016 gira a Roma alcune scene di Maggie & Bianca Fashion Friends per la regia di Yuri Rossi nel ruolo di Anthony. Nel 2017 gira Un Picasso a Cinecittà per la regia di Andrea Saraceni. Nel 2018 gira Martin Eden nel ruolo di Arturo Orsini con la regia di Pietro Marcello. Nel 2019 il film è in concorso alla 76. Mostra internazionale d'arte cinematografica di Venezia, dove Luca Marinelli ha vinto la Coppa Volpi per la migliore interpretazione maschile. È in concorso al TiFF Toronto International Film Festival: Platform - Closing Film, dove vince il premio Platform Prize. È anche invitato al NYFF - New York Film Festival: Main Slate, al festival dì Annecy cinéma italien, al BFI London Film Festival, al International Film Festival in Corea, all'Hamburg International Film Festival, all'Haifa International Film Festival ed altri ancora.
Nel 2020 il film Martin Eden è in concorso con 11 candidature al David di Donatello, con 7 candidature ai Nastri d'Argento 2020 e con 4 candidature agli EFA European Film Award 2020.
Nel settembre 2019 gira alcune scene de L'amica geniale - Storia del nuovo cognome, a Pisa, per la regia di Saverio Costanzo, nel ruolo di Rolando Berti in onda su Rai Uno.
Nel gennaio 2020 interpreta il ruolo di Luca Sartori nella serie televisiva L'Alligatore per la regia di Daniele Vicari, in onda su Rai2 nel Novembre 2020.
Nel luglio 2021 lavora in Vetro, opera prima di Domenico Croce. Il film è in concorso al BIF&ST - Bari International Film Festival - 13ª edizione - Panorama Internazionale.
Nell'ottobre 2021 lavora in Sicilia nella serie televisiva Màkari - Seconda stagione, per la regia di Michele Soavi, interpretando il ruolo di Salvo. La terza puntata della fiction è tratta dal racconto "Il lusso della giovinezza" di Gaetano Savatteri.
Nel luglio 2022 interpreta un ruolo nel film Rapito di Marco Bellocchio. Alla fine del 2022 per la regia di Edoardo de Angelis interpreta il ruolo di Morandi nel film Comandante.