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 Weltmeisterschaftsdebüt gab, ohne jemals sein Studium zu vernachlässigen. Sein Körperbau zwang ihn dazu, sein WM-Debüt in der Moto2-Klasse zu geben, wie andere Jungs aus der VR46 Riders Academy auch. Im Jahr 2024 wird er für das offizielle Honda Repsol Team in der MotoGP fahren. Luca ist auch einer der schnellsten Ranch-Fahrer, der bei Langstreckenrennen oft mit Valentino zusammenfährt.