Formé à l’École d’Art dramatique Silvio D’Amico, Luigi Lo Cascio débute au théâtre en 1989. Découvert au cinéma dans Les cent pas (2000) de Marco Tullio Giordana, il y joue Giuseppe Impastato, jeune communiste italien opposé à la mafia, et obtient le David di Donatello du meilleur acteur.
Il retrouve le cinéaste dans le film fleuve Nos meilleures années (2002), aux côtés d’Alessio Boni et Jasmine Trinca.
Luigi Lo Cascio incarne ensuite le chef des terroristes ayant enlevé Aldo Moro dans l’excellent Buongiorno, notte (2003) de Marco Bellochio.
Les films qui suivent sont moins marquants, qu’ils soient signés Cristina Comencini (La bête dans le cœur, 2005), Spike Lee (Miracle à Santa Anna, 2008), Pupi Avati (Gli amici del bar Margherita, 2009) ou Mario Martone (Frères d’Italie, 2009).
Mais l’acteur est à son avantage dans le polar Salvo (2013) de Fabio Grassadonia et Antonio Piazza, et le drame Les opportunistes (2014) de Paolo Virzì, dans le rôle d’un directeur de théâtre.
On le revoit dans la peau de Totuccio Contorno, illustre figure de la mafia, dans Le traître de Marco Bellochio, en 2019.