Né à Turin en 1978, Luca Argentero se fait connaître en 2003 en participant à la version italienne de "Loft Story". Son physique avantageux lui permet alors de faire la une des magazines, et d'obtenir des petits rôles à la télévision, dans la série "Carabinieri" (2005) notamment. A l'aise face à la caméra, il passe rapidement au grand écran, dans des seconds rôles tout d'abord (A casa nostra, Saturno Contro), puis en tête d'affiche à la faveur de comédies romantiques comme Lezioni di cioccolato (2007) et Solo un padre (2008). Devenu très populaire, le comédien dépasse son statut de produit de la télé-réalité, et enchaîne alors les productions transalpines.

Cette visibilité lui ouvre les portes d'Hollywood, et lui permet de rejoindre en 2010 le casting international de Mange, prie, aime, aux côtés de Julia Roberts et de Javier Bardem. La même année, il ajoute même une corde à son arc en jouant "Shakespeare in Love" au théâtre. Tout en continuant de tourner dans des comédies romantiques, Luca Argentero s'essaye alors à de nouveaux genres, tels que le biopic, pour la mini-série Tiberio Mitri: Il campione e la miss, ou le film d'animation, en prêtant sa voix à la version italienne de Hop en 2011. Après avoir pris part à la suite du populaire Lezioni di cioccolato, le comédien s'expatrie de nouveau l'année suivante avec Le Guetteur, du réalisateur pourtant très italien Michele Placido, et dans lequel il donne la réplique à Daniel Auteuil et à Mathieu Kassovitz.

En 2013, Luca Argentero goûte aux joies du film noir en jouant un détective solitaire dans Cha Cha Cha. Il poursuit sa carrière principalement dans le registre de la comédie, comme en témoignent ses prestations dans Un boss in salotto (2014), Fratelli unici (id.), Noi E La Giulia (2015), Vacanze ai Caraibi (id.), Hotel Gagari (2018) ou encore Brave Ragazze (2019). Parallèlement, il incarne un personnage régulier dans la mini-série fantastique et romantique Sirene. En 2020, l'acteur est choisi pour se glisser dans la peau du héros de la série médicale Doc, un brillant médecin qui, suite à un traumatisme crânien, souffre d'une perte de mémoire partielle permanente, mais trouve toujours une nouvelle manière d'exercer sa profession.