Frère de Giovanni Francesco (Il Fattore) et de Bartolomeo Penni (qui travailla en Angleterre entre 1531 et 1533 à la cour d'Henri VIII), Luca se forma, dit-on, près de Raphaël, puis de Perino del Vaga. Venu en France vers 1530, il est cité, avec de très hauts gages, dans les comptes de Fontainebleau, puis, à partir de 1537 et jusqu'en 1540, dans l'équipe de Primatice à la salle haute du pavillon des Poësles et dans celle de Rosso à la galerie François-Ier.Il est aussi mentionné comme auteur de cartons de tapisseries. Vers 1547, Penni se fixe définitivement à Paris. En 1549, il est au service de Mme de Guise, dont il fera le portrait en miniature. Il travaille alors beaucoup pour les graveurs (Mignon, Davent, Boyvin et surtout Delaune). Le 21 septembre 1556, Penni rédige son testament