Après avoir suivi sa scolarité dans l'internat de Philippeville (province belge) où son père est administrateur, Lucas Belvaux décide, à 16 ans, d'abandonner ses études et de partir pour Paris, afin de devenir comédien. Inscrit dans un cours privé, il rencontre rapidement un agent qui lui permet de trouver ses premiers rôles dans des téléfilms.

En 1981, Lucas Belvaux fait ses débuts au cinéma, en jeune homme insoumis, dans Allons z'enfants, le plaidoyer anti-militariste d'Yves Boisset. Aperçu chez Losey et Zulawski, le comédien tourne en 1985 avec deux maîtres de la Nouvelle vague, Claude Chabrol (Poulet au vinaigre, dans lequel il incarne un facteur trop bavard) et Jacques Rivette (Hurlevent, variation autour de l'oeuvre d'Emily Brontë). Entre naïveté et romantisme, Lucas Belvaux campe un amoureux du rock dans Désordre, premier long métrage d'Olivier Assayas en 1986, et un clerc de notaire qui séduit Madame Bovary dans l'adaptation par Chabrol du chef-d’œuvre de Flaubert (1991).

Au début des années 90, Lucas Belvaux passe derrière la caméra. Auteur d'une première œuvre intimiste passée un peu inaperçue (Parfois trop d'amour), il obtient les faveurs de la critique et du public avec Pour rire ! (1996), vaudeville décalé qui révèle son sens du casting (Jean-Pierre Léaud/Ornella Muti). Fort de ce succès, il se lance dans un triptyque composé d'une comédie (Un couple épatant), d'un thriller (Cavale) et d'un mélodrame (Après la vie), les personnages principaux de chaque film devenant les personnages secondaires des deux autres. Le Prix Louis-Delluc viendra couronner en 2005 ce projet aussi ludique qu'ambitieux.

Lucas Belvaux continue de faire l'acteur, chez Hervé Le Roux (On appelle ça... le printemps), Akerman (Demain on déménage), Christian Carion (Joyeux Noël), Régis Wargnier (Pars vite et reviens tard) ou Robert Guédiguian (L'Armée du crime), son producteur via la société Agat Films. Il joue aussi l'un des rôles principaux de son sixième long métrage comme réalisateur, La Raison du plus faible (2006), polar humaniste tourné dans sa Belgique natale. Puisant son inspiration dans la réalité sociale, il réalise pour la télévision un film sur les formes d'économie alternative (Nature contre nature) et une fiction sur l'affaire Elf (Les Prédateurs).

Artiste engagé, il signe en 2009, pour le grand écran, Rapt, une œuvre âpre et intense emmenée par un Yvan Attal méconnaissable (l'acteur a perdu 20 kilos pour être crédible en homme d'affaires séquestré), d'après un fait divers retentissant : l'enlèvement du Baron Empain. Il retrouve le comédien en 2012 pour sa nouvelle réalisation, 38 témoins, avec également Sophie Quinton et Nicole Garcia au casting, pour une histoire de meurtre venant perturber la vie d'un couple.

Après s'être attaqué à un registre plus léger avec la comédie romantique Pas son genre, Lucas Belvaux livre en 2017 Chez Nous centré sur le fonctionnement de l'extrême droite française et son inquiétant pouvoir de séduction chez les gens. Pour l'occasion, le cinéaste retrouve la comédienne Emilie Dequenne qui était à l'affiche de Pas son genre. Trois ans plus tard, il s'attaque à nouveau à un sujet difficile avec Des hommes, un drame sur fond de Guerre d'Algérie emmené par Gérard Depardieu, Catherine Frot et Jean-Pierre Darroussin.

Quatre ans plus tard, Lucas convoque Niels Schneider, Ramzy Bedia, Linh-Dan Pham et Déborah François dans le film noir Les Tourmentés, adapté de son propre roman du même nom. Il y est question d'un ancien légionnaire se retrouvant au cœur d'une chasse à l'homme organisée par une veuve fortunée.