Nacido en 1984, Luca Marinelli se graduó en la Academia Nacional de Arte Dramático Silvio D’Amico, donde actuó en A Midsummer Night’s Dream, dirigida por Carlo Cecchi.
El director Saverio Costanzo se fijó en su talentosa actuación y lo eligió para coprotagonizar su película The Solitude of Prime Numbers, basada en la novela de Paolo Giordano. La película se presentó, en competición, en el 67º Festival Internacional de Cine de Venecia.
En 2011, interpretó el papel de Roberta en la película de ciencia ficción The Last Man on Earth, dirigida por GIPI, que de nuevo se presentó, en competición, en el Festival Internacional de Cine de Venecia.
Además, ese año Luca Marinelli trabajó en películas como Waves, dirigida por Corrado Maria Sassi, Nina, dirigida por Elisa Fuksas, así como en la película para televisión, María de Nazaret, dirigida por Giacomo Campiotti y aclamada internacionalmente.
En 2012, formó parte del reparto de Every Blessed Day, de Paolo Virzi, donde fue nominado como mejor actor principal en los premios David di Donatello.
Siguió participando en la película ganadora del Oscar The Great Beauty, dirigida por Paolo Sorrentino.
En 2013, en el Festival de Cine de Berlín, recibió el Shooting Star Award de la European Film Promotion, un premio que se otorga a los diez mejores talentos del cine europeo.
Ese mismo año, Luca Marinelli coprotagonizó el primer largometraje de Alessandro Lunardelli, Up to the World, presentado en el Festival de Cine de Roma.
En 2014, su interpretación en la película They Call Me Jeeg, dirigida por Gabriele Mainetti, le valió importantes premios y reconocimientos como el Ciak d’Oro, el Nastro d’Argento y el David di Donatello como mejor actor de reparto.
Su carrera televisiva continuó en 2014 con A Dangerous Fortune, una película para el mercado alemán dirigida por Christian Schwochow.
En 2015, coprotagonizó la película de Claudio Caligari Don’t Be Bad, que se presentó fuera de concurso en la 72ª edición del Festival de Venecia y le valió su segunda nominación al David di Donatello.
Ese mismo año, participó en las películas Slam, dirigida por Andrea Molaioli, y Lasciati Andare, dirigida por Francesco Amato, por la que ganó el Ciak d’Oro como mejor actor de reparto.
En 2016, coprotagonizó la película de Fabio Mollo There is a Light, que le valió nominaciones al Globo de Oro y al Nastri d’Argento; siguió con una película dirigida por los hermanos Taviani, A Private Matter, basada en la novela homónima de Beppe Fenoglio, que le valió el premio Globo de Oro al mejor actor. Ese mismo año, coprotagonizó la película Ricordi, dirigida por Valerio Mieli presentada en las Jornadas de Venecia e interpretó a Fabrizio de Andrè en la miniserie Fabrizio De Andrè – Principe libero, que le valió otra nominación al David di Donatello.
En 2017, participó en la serie de televisión Trust, dirigida por el ganador del Oscar Danny Boyle, y dos años después (2019) actuó junto a Charlize Theron en la película de acción The Old Guard, dirigida por Gina Prince-Bythewood. Ese mismo año, fue la voz del audiolibro Lament of Portnoy de Philip Roth para Emons audiobooks.
En 2018, protagonizó la película Martin Eden, basada en la novela de Jack London y dirigida por Pietro Marcello. La película se presentó en la 76ª edición del Festival de Venecia, donde recibió la prestigiosa Copa Volpi a la mejor interpretación masculina y fue nominado a un EFA como mejor actor principal.
En 2019, protagonizó la película Diabolik, basada en la serie de cómics italiana y dirigida por Manetti Bros.
En 2020, formó parte del jurado internacional presidido por Jeremy Irons durante la 70ª Berlinale.
En 2021, coprotagonizó la película The Eight Mountains, dirigida por Felix Van Groeningen y Charlotte Vandermeersch, basada en la novela homónima de Paolo Cognetti, que ganó el Premio Strega en 2018 y se presentó en competición por la Palma de Oro en el 75º Festival de Cannes.
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