Nasceu em Palermo, Sicília, em 20 de outubro de 1967. Seguindo a tradição familiar, matriculou-se na Medicina com a intenção de se tornar psiquiatra. Começou a se apresentar com um grupo de atores de rua em sua Palermo natal. Em 1989 recebeu um pequeno papel em uma produção teatral ("Waiting for Godot"), e viajou pela Itália com a companhia.
Abandonou a faculdade de medicina e foi para Roma frequentar a Academia de Artes Dramáticas "Silvio D'Amico". Depois de uma série de papéis cada vez mais importantes no teatro, conseguiu o papel principal em One Hundred Steps (2000). Ele foi indicado para o papel por seu tio Luigi Maria Burruano, um ator siciliano experiente que no filme interpretou o pai do personagem principal. O papel lhe rendeu o prêmio David di Donatello de melhor ator principal. Depois disso, ele estrelou em vários papéis diferentes, o mais importante dos quais foi The Best of Youth (2003), um filme de sete horas originalmente feito para a TV, mas depois lançado nos cinemas. No filme ele interpretou um psiquiatra, que foi sua especialização quando ainda estudava medicina.
Luigi Lo Cascio atualmente mora em Roma.
