Luigi Lo Cascio nasce nel 1967 a Palermo, dove si diploma al liceo classico Garibaldi. Innamorato da sempre dei classici e del teatro, poco dopo la maturità, lascia la città natale per raggiungere Roma. Qui frequenta l'Accademia Nazionale d'Arte Drammatica Silvio D'Amico, diplomandosi nel 1992 con un saggio su Amleto, diretto dal Maestro Orazio Costa.
A teatro collabora con grandi registi come Patroni Griffi, Federico Tiezzi, Luca Ronconi e Roberto Guicciardini e negli ultimi anni ha inoltre messo in scena quattro testi teatrali da lui stesso scritti ed interpretati.
Ma il grande pubblico inizia ad apprezzare le sue doti artistiche con l'interpretazione di Peppino Impastato ne I cento passi di Marco Tullio Giordana. Ed è proprio per questa grande prova di attore che nel 2000 vince il David di Donatello come migliore attore protagonista. Il sodalizio con Marco Tullio Giordana si rafforza con La meglio gioventù, che nel 2004 gli vale un altro prestigioso premio: il Nastro d'Argento che, aggiungendosi alla coppa Volpi ottenuta nel 2001 per Luce dei miei occhi, completa il podio dei tre premi italiani più importanti per un attore.
Tra gli altri suoi maggiori lavori per il grande schermo, ricordiamo: Buongiorno, notte di Marco Bellocchio, Noi credevamo di Mario Martone e Il dolce e l'amaro di Andrea Porporati
Nel 2012 esordisce alla regia con La città ideale, film presentato alla 69ª Mostra internazionale d'arte cinematografica di Venezia.