Pada tahun 2013, Luca Marini memulai debut profesionalnya pada Moto3 San Marino yang gagal ia selesaikan.
Luca Marini kembali mendapatkan kesempatan untuk menjadi pembalap tamu di kelas Moto2 bersama tim Pons Racing Junior pada tahun 2015 lalu, yang berhasil ia selesaikan dengan urutan 21.
Setelah itu Luca Marini berhasil mendapatkan poin pertamanya di Moto2 Qatar 2016 berhasil finish urutan sepuluh dan hasil terbaiknya di Moto2 Jerman 2016 dengan berhasil finish diurutan keenam.
Lalu pada tahun 2018, Luca Marini berpindah ke tim Sky Racing Team VR46 yang merupakan tim milik kakaknya.
Di tahun 2018, Lucca Marini berhasil meraih podium pertamanya di Moto2 Jerman dan pada Moto2 Malaysia 2018, dengan meraih lima podium dari 19 balapan dan mengakhiri musim balap 2018 di peringkat ketujuh dengan 147 poin.
Luca Marini mengamankan dua kemenangan yakni Moto2 Thailand dan Moto2 Jepang 2019.
Saat ini Luca Marini hadir di MotoGp Argentina 2022 telah membuktikan kapasitasnya dengan melejit di tengah-tengah rider Spanyol pada kualifikasi MotoGP Argentina 2022.
Luca Marini telah menempati peringkat ketiga setelah mengukir waktu lap 1 menit 38,119 detik pada kualifikasi MotoGP Argentina 2022.***