2009年，卢卡·马里内利从罗马国家戏剧学院毕业。2010年，参演个人首部电影《
质数的孤独》。
2011年，与
罗贝托·赫利兹卡、
安娜·贝拉托联合主演科幻电影《
最后的地球生物》，该片改编自吉卡莫·蒙蒂所著的漫画作品《没有人会伤害我》。
2012年，与帕斯·贝加等联合出演传记电影《拿撒勒的玛利亚》；同年，由其主演的喜剧电影《
每个幸运的日子》上映，他凭借该片入围第57届意大利大卫奖最佳男演员奖。
2013年，卢卡·马里内利获得第63届柏林国际电影节EFP新星奖；11月，与费力博·西吉塔诺、
巴博拉·伯布洛瓦联袂主演的剧情电影《
尽头的风景》上映；同年，参演由
保罗·索伦蒂诺执导的剧情电影《
绝美之城》。
2015年，与
克劳迪奥·桑塔玛利亚合作出演科幻动作电影《
他们叫我吉克》，他凭借该片获得意大利大卫奖最佳男配角奖；9月，由其主演的犯罪电影《不要为恶》上映。