Figlio di un chimico e di una professoressa d'inglese, Laurent Lucas cresce a Le Havre, città che lascia all'età di 16 anni. Si lancia nella carriera dell'arte drammatica nel 1989, seguendo il corso Charles Dullin per poi diventare uno degli allievi più promettenti del prestigioso Théatre National de Strasbourg. Appare sul grande schermo con un ruolo degno di nota già nel 1996, in J'ai horreur de l'amour di Laurence Ferreira Barbosa con Jeanne Balibar. Il suo volto misterioso gli permette di far seguire diverse apparizioni in film d'autore, tra cui Quelque chose d'organique (1998), Rien sur Robert (1999) e il Pola X (1999) di Leos Carax. In Haut les coeurs! (2000) è il compagno della protagonista malata di cancro, una Karin Viard che aveva già affiancato in La nouvelle Eve - Una relazione al femminile (1999). L'interpretazione in Haut les coeurs! gli vale una nomination ai César come miglior speranza giovanile.

Il grande pubblico scopre tuttavia Laurent Lucas nel 2000, in Harry, un amico vero di Domink Moll. Il ruolo di Michel, tranquillo padre di una famiglia che sarà turbata dall'arrivo Sergi López, contribuisce al successo sorpresa della pellicola di Moll. Tra gli altri, appare successivamente in Sur la trace d'Igor Rizzi (2006) o ancora in Contre-Enquete (2007), il che dimostra come l'attore, pur privilegiando le opere singolari, non disdegni il cinema commerciale.

Laurent Lucas vive tra Francia e Québec.