Après avoir raté de peu le rôle d’Elvis Presley dans Elvis (au profit de Jonathan Rhys Meyer), Luke Grimes débute sa carrière au cinéma dans le thriller horrifique Tous les garçons aiment Mandy Lane en 2006, dans lequel il joue un prétendant de la jeune fille.

Après une apparition dans Assassinat d’un président (2008), le jeune acteur obtient son premier rôle principal dans la comédie dramatique Shit Year en 2010 (inédit en France) et joue le petit ami de Maggie Grace dans Taken 2 en 2012.

Parallèlement à sa carrière au cinéma, Luke Grimes côtoie le petit écran. Il intègre ainsi, en 2008, le casting de la saison 3 de Brothers and sisters (dans le rôle de Ryan Lafferty) et en 2013, celui de la saison 6 de True Blood. Il y incarne James, enfermé dans un camp d’expérimentation sur les vampires, aux côtés de Jessica.

En 2015, il se glisse dans la peau d’Elliot Grey, frère de Christian dans Cinquante Nuances de Grey (un rôle qu'il reprend dans Cinquante nuances plus sombres et Cinquante nuances plus claires) et dans celle d’un soldat en Irak, aux côtés de Bradley Cooper, dans le biopic de Clint Eastwood, American Sniper.

Après être apparu dans Les 7 Mercenaires et Un Noël à El Camino, Luke trouve le rôle de sa carrière en 2018 dans la série Yellowstone, celui du courageux et taciturne Cory Dutton, fils de Kevin Costner. Le show dure jusqu'en 2024. En parallèle, il joue dans dans la comédie romantique Netflix Le Bonheur pour les débutants (2023).

En 2025, l'acteur reste dans un registre qu'il connaît bien en prenant part au néo-western Eddington de Ari Aster, aux côtés de Joaquin Phoenix, Emma Stone et Pedro Pascal.