Attore. L'interesse per la recitazione è nato ai tempi del college: all'inizio Luke si avvia verso una brillante carriera nell'atletica, eccellendo nella corsa dei 400m e 800m, ma dopo aver cominciato a frequentare un corso di teatro, rinuncia allo sport. In particolare, sono le opere di Sam Shepard a coinvolgerlo maggiormente. Il debutto nel cinema avviene grazie al fratello maggiore Owen Wilson ed al suo amico Wes Anderson, che lo scritturano per il loro film d'esordio "Un colpo da dilettanti" (1996). Successivamente è in "Fast Food" (1997) accanto a Drew Barrymore, con la quale ha una relazione che dura circa un anno. Luke ha nuovamente occasione di lavorare con Drew in "Charlie's Angels" (2000) e nel 2001 affianca nuovamente il fratello Owen e l'amico Wes Anderson in "I Tenenbaums", in un cast che comprende anche Gene Hackman, Anjelica Huston, Ben Stiller e Gwyneth Paltrow, con la quale è nata una storia d'amore sul set.