Laurent Lucas quitte très tôt la scolarité pour s'inscrire au Théâtre Charles Dullin. Puis il rejoint le Théâtre National de Strasbourg. Très vite, ce fils d'un chimiste et d'une professeur d'anglais, en devient l'un des étudiants les plus prometteurs.

J'ai horreur de l'amour (1997) de Laurence Ferreira-Barbosa marque ses premiers pas au cinéma. Son interprétation d'un homme séropositif démontre un vrai talent qui se confirmera par la suite avec les films d'auteurs Pola X de Léos Carax, Rien sur Robert de Pascal Bonitzer... La nouvelle Eve de Catherine Corsini mais surtout le drame Haut les coeurs! (1999) de Solveig Anspach dans lequel il interprète le compagnon désemparé de Karin Viard atteinte d'un cancer. Le film lui vaudra d'être reconnu par la profession à travers une nomination au César du Meilleur Espoir Masculin.

L'année d'après c'est au tour du public de faire sa connaissance lors de l'oppressant Harry, un ami qui vous veut du bien de Dominik Moll, succès surprise de l'été. En mari dépassé par l'arrivée encombrante d'un ancien camarade d'école, le comédien s'affirme face à un Sergi Lopez de très haut niveau. Petit ami incapable d'aider son amie adepte de l'automutilation pour Dans ma peau (2002) de Marina de Van, ingénieur tentant de comprendre le changement de personnalité de sa femme Charlotte Gainsbourg dans le fantastique Lemming (il y retrouve pour l'occasion le résalisateur d'Harry...), Laurent Lucas récidive à plusieurs reprises dans ce type de personnage bien sous tous rapports dont l'existence bascule peu à peu par un tiers événement.

Toutefois, l'acteur expérimente plusieurs registres cultivant une certaine ambiguïté qui lui est propre: amateur des farces de José Garcia dans la comédie Rire et châtiment, patron inhumain dans Violence des échanges en milieu tempéré, chirurgien louche pour le thriller Qui a tué Bambi?.

Pouvant paraître, à première vue, pour un acteur de film d'auteur, Laurent Lucas a pourtant goûter au cinéma d'horreur avec l'étonnant Calvaire de Fabrice du Welz où il est un chanteur itinérant quelque peu androgyne, séquestré par un aubergiste croyant reconnaître en lui sa femme disparue. Il fut également un pédophile emprisonné clamant son innocence dans le polar Contre-enquête (2007) de Franck Mancuso. En 2008, il est à l'affiche d'un autre thriller Sans état d'âme de Vincenzo Marano. On le retrouve ensuite aux côtés d' Hélène de Fougerolles dans le thriller mystérieux Sommeil Blanc.