Luca Marinelli nació en Roma, Italia, el 22 de octubre de 1984. Hijo del actor y actor de doblaje Eugenio Marinelli, creció en un entorno cercano a la interpretación, aunque inicialmente orientó su formación hacia el teatro. Estudió en la Academia Nacional de Arte Dramático Silvio D'Amico de Roma, donde se graduó en 2009. Durante esa etapa participó en distintas producciones teatrales y comenzó a construir una carrera que pronto se extendería al cine.

Su debut cinematográfico llegó con La soledad de los números primos, de Saverio Costanzo, adaptación de la novela de Paolo Giordano. Interpretó a Mattia, uno de los protagonistas de una historia sobre dos personas marcadas por experiencias traumáticas durante su infancia. La película se presentó en el Festival de Venecia y supuso su primera oportunidad importante en la gran pantalla.

En los años siguientes participó en películas como Todos los santos días (2012), de Paolo Virzì, y La gran belleza, de Paolo Sorrentino, donde interpretó a Andrea, uno de los personajes secundarios del entorno del protagonista. En 2013 también recibió el premio European Shooting Star en el Festival de Berlín, un reconocimiento destinado a destacar a intérpretes europeos emergentes.

Su carrera dio un paso decisivo con No seas malo, la última película de Claudio Caligari. Marinelli interpretó a Cesare, un joven que vive entre las drogas, la delincuencia y la amistad en los suburbios de Roma durante los años noventa. Su trabajo fue reconocido en el Festival de Venecia, donde recibió el premio Pasinetti al mejor actor. Ese mismo año participó en Le llamaban Jeeg Robot, de Gabriele Mainetti, una aproximación al cine de superhéroes desde el contexto urbano italiano. Allí encarnó a Zingaro, un delincuente obsesionado con alcanzar la fama, un personaje extravagante y violento que le valió el David di Donatello al mejor actor de reparto.

En 2017 protagonizó Una cuestión privada, de Paolo y Vittorio Taviani, adaptación de la novela de Beppe Fenoglio ambientada durante la resistencia italiana en la Segunda Guerra Mundial. También participó en Déjate llevar, de Francesco Amato, y El padre de Italia, de Fabio Mollo. Un año después interpretó al cantante Fabrizio De André en la miniserie Fabrizio De André: Principe libero, basada en la vida del influyente músico italiano. Su transformación para el papel incluyó el trabajo vocal y musical necesario para recrear algunas de sus canciones. También formó parte de la serie Trust, dirigida por Danny Boyle, sobre el secuestro de John Paul Getty III, donde interpretó a Primo.

Uno de los mayores reconocimientos de su trayectoria llegó con Martin Eden, de Pietro Marcello, adaptación libre de la novela de Jack London. Marinelli interpreta a un marinero de origen humilde que aspira a convertirse en escritor y que, a medida que alcanza el éxito, entra en conflicto con sus propias ideas y con la sociedad que lo rodea. La película se presentó en el Festival de Venecia, donde recibió la Copa Volpi al mejor actor. Su interpretación, que acompaña la evolución intelectual y emocional del protagonista a lo largo de los años, consolidó su posición como uno de los intérpretes más destacados del cine italiano contemporáneo.

Su salto a una producción internacional de gran alcance llegó con La vieja guardia, de Gina Prince-Bythewood, junto a Charlize Theron. Interpretó a Nicky, un guerrero inmortal que mantiene una relación sentimental con Joe, personaje de Marwan Kenzari. Regresó al papel en La vieja guardia 2. Entre ambas películas protagonizó Diabolik, de los hermanos Manetti, adaptación del famoso cómic italiano en la que dio vida al misterioso ladrón, un personaje de apariencia fría y metódica.

En Las ocho montañas, dirigida por Felix van Groeningen y Charlotte Vandermeersch, compartió protagonismo con Alessandro Borghi. La película sigue la amistad entre dos hombres cuyas vidas toman caminos diferentes, pero que mantienen un vínculo con las montañas y con el lugar donde crecieron. La producción obtuvo el Premio del Jurado en el Festival de Cannes y Marinelli recibió el Nastro d'Argento al mejor actor, compartido con Borghi.

En 2024 protagonizó M. El hijo del siglo, serie dirigida por Joe Wright y basada en la novela de Antonio Scurati. Marinelli interpretó a Benito Mussolini desde sus primeros pasos políticos hasta la consolidación del fascismo en Italia. La interpretación exigió una transformación física y vocal para representar al dictador, además de abordar su evolución desde una perspectiva que combina el drama histórico con elementos satíricos. Su trabajo fue reconocido con el premio al mejor actor en Series Mania y el Nastro d'Argento.

En 2025 protagonizó Baja de paternidad, dirigida por Alissa Jung, su esposa. En esta última interpreta a Paolo, un hombre cuya vida cambia al descubrir que tiene una hija adolescente a la que nunca ha conocido. Ese mismo año se incorporó al universo de Hideo Kojima con Death Stranding 2: On the Beach, donde interpreta a Neil Vana, un personaje vinculado a los recuerdos y al pasado de Fragile. Su participación combina interpretación vocal y captura de movimiento.

Entre sus trabajos más recientes figura The Echo Chamber, de Andrea Pallaoro, donde interpreta a Leo. También está vinculado a Let Love In, el próximo proyecto cinematográfico de Felix van Groeningen.

Marinelli se caracteriza por una gran capacidad de transformación, tanto física como emocional. Puede pasar de la vulnerabilidad de Martin Eden a la violencia de Zingaro o a la presencia inquietante de Mussolini, sin depender de un único registro interpretativo. Su formación teatral y su atención al lenguaje corporal le permiten construir personajes muy definidos, incluso cuando sus motivaciones resultan contradictorias. Aunque su reconocimiento internacional ha crecido en los últimos años, ha mantenido una estrecha relación con el cine italiano y con proyectos de autor.