Dopo aver frequentato l'Accademia Nazionale d'Arte Drammatica a Roma, esordisce nei primi anni ottanta come attore di teatro con i registi Ronconi, Mattolini e Sequi. A cavallo degli anni ottanta e novanta arrivano i primi ruoli cinematografici di cui ricordiamo, tra gli altri, Gli occhiali d'oro di Giuliano Montaldo, Il branco di Marco Risi e Vite strozzate di Ricky Tognazzi.

In campo televisivo, nel 1997 ottiene una prima visibilità, interpretando il boss mafioso Pietro Favignana nella miniserie di Giacomo Battiato La piovra 8 - Lo scandalo ma è nel 1999 che Luca Zingaretti, andando a vestire per la prima volta i panni di Salvo Montalbano - il commissario di polizia brusco e intelligente ideato dallo scrittore Andrea Camilleri, protagonista dell'omonima serie televisiva - ottiene una grande popolarità, sia in Italia che all'estero.

Alla fine degli anni novanta è nel cast dei film Tu ridi di Paolo e Vittorio Taviani e L'anniversario di Mario Orfini, pellicole che gli valgono i primi riconoscimenti, con le candidature ai Nastri d'argento del 1999 (come attore non protagonista) e del 2000 (come migliore attore). Intanto, nello stesso anno debutta anche come regista nel documentario Gulu.

Successivamente, proseguendo l'interpretazione di Montalbano, Zingaretti continua a dividersi con successo tra piccolo e grande schermo. Al cinema prende parte a Texas 46 di Giorgio Serafini, Prima dammi un bacio di Ambrogio Lo Giudice, I giorni dell'abbandono di Roberto Faenza, A casa nostra di Francesca Comencini, Mio fratello è figlio unico di Daniele Luchetti e Sanguepazzo di Marco Tullio Giordana. Nel 2010 vince il suo primo Nastro d'argento come migliore attore non protagonista grazie ai ruoli in La nostra vita di Luchetti e Il figlio più piccolo di Pupi Avati. A partire dal 2011 lo vediamo tra gli altri ne La Kryptonite nella borsa di Ivan Cotroneo, Romanzo di una strage di Marco Tullio Giordana, Les vacances du petit Nicolas di Laurent Tirard, Perez di Edoardo De Angelis e Il Vegetale di Gennaro Nunziante.

Nella sua carriera non mancano le interpretazioni che ripercorrono la vita di personaggi realmente esistiti, le quali hanno sempre ottenuto un ottimo riscontro di pubblico e di critica. Nel campo televisivo, si segnalano Pietro Nenni nella miniserie Il giovane Mussolini, Giorgio Perlasca in Un eroe italiano, Paolo Borsellino in I 57 giorni ed Adriano Olivetti in La forza di un sogno. Al cinema invece ha dato il volto a Don Pino Puglisi in Alla luce del sole di Faenza, che gli è valso un riconoscimento al Festival Internazionale del cinema di Karlovy Vary e una candidatura ai David di Donatello del 2005 (come miglior attore).

L’8 maggio 2018 va in onda in prima serata su Rai1 55 Giorni. L’Italia senza Moro, orazione civile scritta e diretta e interpretata da Luca Zingaretti e ispirata all’omonimo libro di Stefano Massini sul Paese nei giorni del rapimento Moro.

Il teatro ha da sempre accompagnato la sua carriera professionale che lo vede impegnato nel duplice ruolo di attore e di regista e dopo aver concluso nel 2013 l'impegnativa tournée dello spettacolo La Torre d’avorio torna a confermare nel 2015 i sold out in tutta Italia con lo spettacolo The Pride. Nel 2018/2019 è stato impegnato come regista per lo spettacolo The Deep Blue Sea.