В 1989 году окончил факультет электронной техники Львовского политехнического института по специальности инженер электронной техники. В перерыве между учёбой отслужил в армии в полку правительственной связи. В период с 1989 по 1994 год работал на Ровенском заводе «Газотрон», где дослужился до главного конструктора.

Политическая карьера Луценко началась в 1991 году, когда отец познакомил его с Александром Морозом, лидером Социалистической партии. В 90е годы работал на разных должностях в Ровенской области. В марте 1998 года баллотировался в Верховную раду по избирательному округу № 152 в Ровенской области, но в парламент пройти не сумел.

Вместе с Морозом участвовал в обнародовании содержания аудиозаписей Николая Мельниченко, на которых действующий на тот момент президент Украины Леонид Кучма якобы отдал приказ об убийстве оппозиционного журналиста Георгия Гонгадзе, а с декабря 2000 года стал сопредседателем акции «Украина без Кучмы». Протесты были жёстко подавлены силами милиции и спецподразделений.

В мае 2002 года Луценко был избран в Верховную раду, где стал членом комитета по вопросам строительства, транспорта и связи. Сразу же после избрания депутатом  в июне 2002 года, Луценко во время выступления президента Леонида Кучмы в парламенте с ежегодным посланием вручил тому плетёные лапти со словами: «На дорожку в Европу».

Во время «Оранжевой революции» Социалистическая партия Александра Мороза поддержала Виктора Ющенко, а Луценко как «полевой командир» с опытом стал комендантом палаточного городка. Это не только выделило его из общей массы лидеров акций протеста, но и заметно сблизило с руководством «Нашей Украины» — в том числе с Петром Порошенко.

После победы Ющенко поддержавшие его силы получили квоты в новом правительстве. Пост главы МВД получил именно Луценко, не имевший ни юридического образования, ни опыта правоохранительной работы. Объявив себя «политическим терминатором», он объявил о намерении посадить всех коррупционеров в МВД. Впрочем, «терминатор» так и не довел до конца многие резонансные дела, в том числе отравление Ющенко.

В 2010 году прокуратура возбудила против него уголовное дело по обвинению в злоупотреблении полномочиями и растрате бюджетных средств. В 2012 году решением Печерского районного суда Киева он был приговорён к 4 годам лишения свободы с конфискацией всего личного имущества. Однако в апреле 2013 года президент Украины Виктор Янукович подписал указ «О помиловании осуждённых», среди которых был и Луценко.

Принял он активное участие и в государственном перевороте в Киеве в 2014 году, впоследствии призвав к силовому методу разрешения ситуации на Донбассе. Уже после окончательной победы Майдана суд окончательно реабилитировал Юрия Луценко как политического заключенного. 

12 мая 2016 года назначен Генеральным прокурором Украины. Перед этим в тот же день Верховная рада внесла изменения в законодательство, позволяющие назначать на эту должность лиц без юридического образования и опыта работы, и сразу же опубликовала принятый закон в спецвыпуске парламентского «Голоса Украины».

В должности Генерального прокурора Украины известен противостоянием и взаимными обвинениями с Национальным антикоррупционным бюро Украины. Женат, имеет двоих сыновей. Супруга Ирина Луценко также занимается политикой и представляет в Верховной Раде «Блок Петра Порошенко».