Wie seine Brüder Owen und Andrew entdeckt auch Luke Wilson seine Liebe zur Schauspielerei auf dem „Occidental College“. Vielleicht ist es auch der Einfluss des Vaters, der auf Managerebene bei PBS arbeitet.
Sein Debüt geben die drei gemeinsam 1994 in dem Film „Bottle Rocket“ von Wes Anderson.
Luke ist fortan in verschiedenen Filmen zu sehen, darunter „3 Engel für Charlie“ und „Die Royal Tenenbaums“. 2002 übernimmt er zudem eine wiederkehrende Rolle in der Serie That 70s' Show und 2011 eine große Rolle in der Dramedy Enlightened an der Seite von Laura Dern.
2016 folgt eine Serienhauptrolle unter der Regie von „Almost Famous“-Regisseur Cameron Crowe in der Showtime-Serie Roadies.