Frère cadet d'Owen Wilson.

Luke Wilson a d'abord évolué sur un terrain de base-ball avant de jouer devant une caméra. Il a en effet pendant longtemps était l'un des piliers de l'équipe du Texas avec son frère Owen, lui aussi acteur désormais(Shangai knights).

Il débute sa carrière en 1994 dans Bottle rocket, mais c'est à Wes Craven (Scream 2) qu'il doit son premier rôle consistant. Puis il est la tête d'affiche de Flic de haut vol où il joue les gros bras aux côtés de Lawrence. Dans Committed il interprète Carl, l'amoureux transi de Heather Graham avant d'être le petit ami de Cameron Diaz, en 2000, dans Charlie et ses droles de dames.

En 2001, la carrière de Luke Wilson s'accélère. Il est à l'affiche de La Revanche d'une blonde où il joue un chasseur de tête, déguisé en candide étudiant, envoyé par un cabinet d'avocat, dans une université, afin de repérer de futurs associés dont Elle (Reese Witherspoon). En 2002, il apparaît dans The Royal Tenenbaums, avant d'être un jeune gentleman, célibataire depuis trop longtemps et faisant tout pour briser sa période de jachère sexuelle, dans la comédie The Third wheel.

Après avoir tourné les deux suites Charlie's angels - les anges se déchaînent et La Blonde contre-attaque en 2003, Luke Wilson tourne aux côtés de la Belge Cécile de France dans Le Tour du monde en 80 jours de Frank Coraci. Deux ans après on le retrouve dans la quatuor amoureux d'Esprit de famille (Thomas Bezucha) composé de Sarah Jessica Parker, Claire Danes, Dermot Mulroney et de lui-même.

En 2005, il s'attire les foudres de la super-héroîne Uma Thurman dans Ma super ex, la comédie romantique désopilante d'Ivan Reitman avant d'emmener la comédie futuriste de Mike Judge Idiocracy.