Après avoir suivi sa scolarité dans l'internat de Philippeville (province de Namur) 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 chezLosey 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'oeuvre de Flaubert (1991).

Au début des années 90, Lucas Belvaux passe derrière la caméra. Auteur d'une première oeuvre 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, Christian Carion, Régis Wargnier (Pars vite et reviens tard) ou Robert Guédiguian, 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 ), une fiction sur l'affaire Elf (2007). Et pour le grand écran, il signe en 2009 Rapt, une oeuvre âpre et intense, d'après un fait divers retentissant : l'enlèvement du Baron Empain.