Luca Marini kommt aus der italienischen Stadt Urbino und ist der Halbbruder von Valentino Rossi. Der junge Italiener biss sich bereits in der italienischen CIV Serie durch. Er beendete die Moto3™ CIV 2013 mit sechs Podestplätzen als Vierter. In Misano trat er zum ersten Mal mit einer Wildcard an. Der Ausflug endete unglücklicherweise in der ersten Kurve. Danach wechselte er 2014 in die spanische CEV Moto3™ Serie, aber aufgrund eines starken Wachstumsschubs erlebte er eine schwierige Saison. Er beendete sie auf Platz 16, nachdem er auf seiner Kalex KTM insgesamt sieben Mal punkten konnte. 2015 wechselte er in die europäische Moto2™ Meisterschaft mit dem Paginas Amarillas HP 40 Junior Team und wurde in seinem dritten Rennen bereits Zweiter. Aggressive Rennen brachten ihm den fünften Gesamtrang ein. In Misano 2015 stand er erneut mit einer Wildcard in der WM am Start und konnte das Rennen abermals nicht beenden. 2016 startete der Italiener schließlich Vollzeit in der Weltmeisterschaft. Er debütierte im Forward Racing Team an der Seite seines italienischen Landsmanns und VR46 Academy Fahrers, Lorenzo Baldassarri.
Marini war 2020 mit dem SKY Racing Team VR46 erneut einer der Favoriten im Kampf um die Moto2™ -Krone. Ein böser Sturz im französischen GP-Qualifying forderte jedoch seinen Tribut vom Italiener, wodurch er seine Titelführung verlor. Trotz des Kampfes gegen die Verletzung und der Sicherung des zweiten Platzes in Portimao konnte Marini die Spitze nicht mehr zurückgewinnen und wurde somit Zweiter in der Weltmeisterschaft. Als einer der vielversprechendsten jungen Fahrer des Sports hat er mit Esponsorama Racing den Sprung in die Königsklasse geschafft, wo er 2021 Teamkollege des Mannes wurde, der ihm den Titel streitig machte: Enea Bastianini.
Der junge Italiener tat sich anfangs schwer, da sein großer Körperbau nicht für die moderne MotoGP™ geeignet scheint, doch gegen Ende der Saison 2021 platzte schließlich der Knoten. Ein Start aus der ersten Reihe bei seinem Heimrennen in Misano und ein Platz unter den ersten fünf in Österreich gaben ihm Auftrieb für 2022, wo er im neuen VR46 Racing Team auf Ducati an den Start ging. Der Italiener überzeugte mit seiner Konstanz, indem er sieben Mal in den Top-6 landete. Doch obwohl er zwei Mal Vierter wurde, blieb ihm sein erstes Podium in der Königsklasse verwehrt. Doch Marini blieb es nicht lange verwehrt. Beim GP von Amerika 2023 stand der Italiener zum ersten Mal auf dem Podium und holte in dieser Saison vier Sprint-Podiumsplätze und einen weiteren Sonntags-Podiumsplatz in Qatar, bevor bekannt wurde, dass er Marc Marquez bei Repsol Honda 2024 ersetzen würde. Nach einem Jahr der Eingewöhnung an die RC213V wird Marini 2025 mit dem HRC-Werksteam regelmäßig beachtliche Ergebnisse anstreben.