Окончив школу, Люк поступил в лос-анджелесский колледж «Occidental». Здесь он увлекся легкой атлетикой, но затем бросил спорт ради занятий драматическим искусством. В 1994 году вместе со своим старшим братом Оуэном и общим другом Уэсом Андерсоном Люк создал короткометражку «Бутылочная ракета». Показанная на кинофестивале в Санденсе, она стала для братьев Уилсонов пропуском в Голливуд.
В 1997 году Люк Уилсон появился в мелодраме «Какого врать в Америке» и второй части фильма ужасов «Крик». В следующем году актер снялся в таких проектах, как «Собачий парк», «Вот такие пироги», «Академия Рашмор», «Секретные материалы». В 2000 году Уилсон сыграл небольшую роль в блокбастере «Ангелы Чарли», а в 2003 – в его продолжении «Ангелы Чарли-2: Только вперед». В 2001 в широкий прокат вышла комедия «Блондинка в законе», в которой он предстал в образе одного из главных героев, а в 2003 и вторая часть – «Блондинка в законе-2: Красное, белое и блондинка». Неплохо зрители приняли «Старую школу» и «Семейку Тененбаумов». До 2005 года Люк Уилсон играл в сериале «Шоу 70-х».
В 2004 году на экраны вышел режиссерский дебют – «История Уэнделла». Сам Люк выступил в качестве режиссера и сценариста, роль второго режиссера взял на себя брат Эндрю, а отрицательного героя сыграл второй брат Оуэн. В том же 2004 младший Уилсон снялся в экранизации приключений «Вокруг света за 80 дней». Фильм «Идиократия», в котором он сыграл главную роль, вышел на экраны в 2006 году. В 2007 года в прокате появились триллер «Вакансия на жертву» с участием его самого и Кейт Бекинсейл, вестерн «Поезд на Юму» и трагикомедия «У Мини это в первый раз». В 2009 состоялась премьера криминальной комедии «Меж двух огней», а в 2010 году он вместе с некоторыми другими комедийными актерами принял участие в съемках картины «Смерть на похоронах».
Люк Уилсон снимался в нескольких музыкальных клипах. Среди них «Maria (Shut Up and Kiss Me)» Уилли Нельсона, «Swingin» Тома Петти, «Hollywood Hillbilly» Дэйла Уотсона.
