Seine Karriere als Rennfahrer konnte bei einem älteren Bruder wie Valentino Rossi nur in jungen Jahren beginnen. Mit 5 Jahren saß er bereits auf einem Mini-Bike und fuhr von Rennen zu Rennen, von Klasse zu Klasse, bis er 2016 sein Debüt in der Weltmeisterschaft gab, ohne dabei jemals sein Studium zu vernachlässigen. Sein Körperbau zwang ihn, sein Weltmeisterschaftsdebüt in der Moto2-Klasse zu geben, wie es auch bei anderen Jungen in der VR46 Riders Academy der Fall war. Er wird auch im offiziellen Honda Repsol Team in der MotoGP im Jahr 2025 fahren. Luca ist auch einer der Top-Fahrer der Ranch und fährt oft zusammen mit Valentino bei Langstreckenrennen.