Grimes nació en una familia religiosamente devota en Dayton, Ohio, uno de cuatro hermanos. Luke se graduó de Dayton Christian High School en 2002. Su padre es un pastor de la Open Bible Christian Church. Grimes se trasladó a Nueva York para estudiar actuación en American Academy of Dramatic Arts. Ha aparecido en All the Boys Love Mandy Lane, y War Eagle, Arkansas. También apareció en Asesinato en la Escuela Secundaria, que recibió un lanzamiento limitado en marzo de 2009.

Apareció recientemente en el drama de ABC, Brothers & Sisters desde marzo como Ryan Lafferty, el hijo ilegítimo de William Walker, patriarca de la familia. A partir de la temporada, se convirtió en un personaje recurrente. Él venció a Scott Porter y Jason Ritter, entre otros, para el papel. Audicionó para interpretar a Elvis Presley en la miniserie de CBS de 2005, pero fue Jonathan Rhys Meyers quien se quedó con el papel.

Fue protagonista en el 2010, de la serie de FX, "Outlaw Country", con Haley Bennett y Mary Steenburgen. Grimes interpretó a un vaquero llamado Eli Larkin.4 La serie no fue elegida por FX, pero como una película para televisión. En 2012, apareció en el thriller de Liam Neeson, Taken 2 como el novio de la hija de Neeson.

El 25 de octubre el año 2013 se anunció que Grimes interpretará al hermano adoptivo de Christian Grey, Elliot en Fifty Shades of Grey.