Fils de la comédienne et réalisatrice Eva Ionesco, Lukas Ionesco décroche son premier rôle au cinéma dans la première réalisation de sa mère, My Little Princess, qui est remarquée en 2011 à la Semaine de la critique à Cannes. Il y joue le petit rôle d'un garçon dans l'escalier. Il poursuit devant la caméra d'Eva Ionesco avec un court métrage qu'elle réalise pour Canal + : Rosa Mystica.

Lukas Ionesco incarne ensuite un personnage plus important dans le sulfureux The Smell of Us de Larry Clark. Dans ce film sorti en 2015 se situant à Paris, plus particulièrement au Dôme derrière le Palais de Tokyo où de nombreux jeunes se retrouvent pour faire du skate, il donne la réplique à un autre espoir du cinéma français : Diane Rouxel.

En 2018, sa mère le choisit pour jouer un rôle clé de son deuxième long métrage, Une jeunesse dorée, qui se situe au cœur des années Palace dans le Paris de l'année 1979 et qui comprend à nouveau Isabelle Huppert dans son casting.