Окончил школу Святого Марка в Техасе, затем учился в Западном колледже. Окончил Техасский христианский университет. Занимался легкой атлетикой, выступал в студенческой команде.
В 1994 году Люк, Оуэн и Уэс Андерсон вместе написали сценарий Бутылочная Ракета и сняли по нему короткометражку, главные роли в которой сыграли все братья Уилсоны. Друзья Оуэна и Уэса Андерсона - сценарист Кит Карсон и продюсер Полли Плэтт сумели показать Бутылочнаю Ракету знаменитому Джеймсу Л. Бруксу. Брукс оценил творение молодых талантов и дал им пять миллионов долларов, чтобы из короткометражки они сделали полнометражный фильм. Но, несмотря на похвалы критиков, новая Бутылочная Ракета, вышедшая на экраны в 1996 году, сумела вернуть лишь миллион долларов...
Уилсон запомнился зрителям в роли Билли в фильме ужасов "Крик 2" (1997). Исполнил роль Джесси Релли в комедийном боевике "Лучшие люди" (1998).
Братья Уилсоны и Уэс Андерсон переехали в Лос-Анджелес и поселились все вместе, сняв дом. Они всерьез решили заняться кинокарьерой.
В 2004 году на экраны вышел семейный проект братьев Уилсонов. Оуэн и Люк написали сценарий фильма, поставили его как режиссеры, сыграли в нем главные роли. Проект этот называется История Уэнделла. Образ главного героя на экране воплотит Люк; в качестве партнеров по съемочной площадке братья пригласили Еву Мендес и Уиллу Ферреллу.
Успехом пользовались романтические герои Люка Уилсона в фильмах "Блондинка в законе" (2001), доктор Флинн в "Академии Рашмор" (1998), Дориан в фильме "Вот такие пироги" (1998, сценарий Оуэна Уилсона) и Риччи Тененнбаум в комедии У.Андерссона "Семейка Тененнбаум" (2001).
В телесериале "Шоу 70-х" (1998 - 2006) исполнил заметную роль Кейси Кэлсо.
В 2005 году выступил как сценарист, продюсер, постановщик фильма и исполнитель главной роли комедии "История Уэнделла".
Уилсон является одним из членов так называемой Frat Pack — негласной группы комедийных актёров, куда также входят Оуэн Уилсон, Бен Стиллер, Джек Блэк и Уилл Феррелл.
Эндрю и Оуэн Уилсон - старшие братья Люка Уилсона, известны как режиссеры, сценаристы и актеры.