Nato a Paternò il 27 settembre 1976. Sposato, con due figlie. Parmitano è un sub molto attivo ed ama lo snowboarding, lo skydiving, il sollevamento pesi ed il nuoto. Altri interessi includono la lettura e la musica.

Parmitano si è diplomato al Liceo Scientifico Statale "Galileo Galilei" di Catania, Italia, nel 1995.

Nel 1999 si è laureato in Scienze Politiche all'Università di Napoli Federico II con una tesi in Diritto Internazionale.

Nel 2000 si è diplomato all'Accademia Aeronautica Italiana di Pozzuoli.

Parmitano ha portato a termine l'addestramento base con la U.S. Air Force alla Euro-Nato Joint Jet Pilot Training presso la Sheppard Air Force Base in Texas, Stati Uniti, nel 2001. Ha completato, inoltre, il corso JCO/CAS con la USAFE a Sembach, Germania, nel 2002.

Nel 2003 si è diplomato come Ufficiale di Guerra Elettronica alla ReSTOGE di Pratica di Mare. Ha completato il Programma di Leadership Tattica (TLP) a Florennes, Belgio, nel 2005.

Nel luglio del 2009 Parmitano ha conseguito un Master in Ingegneria del Volo Sperimentale presso l'Istituto Superiore dell'Aeronautica e dello Spazio (ISAE) di Tolosa.

Parmitamo nel 2007 è stato selezionato dall'Aeronautica Italiana per diventare pilota collaudatore. Si è addestrato come Experimental Test Pilot alla EPNER, la scuola per piloti sperimentatori francese ad Istres.

Parmitano è Maggiore dell'Aeronautica Italiana. Ha accumulato più di 2000 ore di volo, si è qualificato su oltre 20 tipi tra aerei ed elicotteri militari, ha volato su oltre 40 tipi diversi di velivoli.

Parmitano è stato selezionato come astronauta ESA nel maggio 2009.

Nel febbraio 2011, Parmitano è stato assegnato come ingegnere di volo alla prima missione di lunga durata dell'Agenzia Spaziale Italiana (ASI) sulla Stazione Spaziale Internazionale. Luca è partito a bordo di un lanciatore Soyuz il 28 maggio 2013 dal cosmodromo di Baikonour, Kazakistan.

Durante la missione "Volare", Luca ha trascorso 166 giorni nello spazio portando avanti oltre 20 esperimenti e prendendo parte a due attività extra veicolari e all'attracco di quattro navette. È rientrato a Terra l'11 novembre 2013.