Issu d'une famille de paysans portugais, Luis Rego s'installe en France et se révèle comme guitariste, chanteur et humoriste au sein du célèbre groupe des Charlots. De la musique, il passe, en compagnie de ses amis Gérard Rinaldi, Jean-Guy Fechner, Gérard Filipelli et Jean Sarrus, au cinéma avec la comédie La Grande java en 1970. Suit un an plus tard le premier succès de la joyeuse troupe, Les Bidasses en folie. Malgré la réussite grandissante des Charlots, Luis Rego décide de faire bande à part en apparaissant aux côtés de Pierre Richard dans Je sais rien mais je dirai tout (1973) et La Course à l'échalote (1975). Il fréquente également l'équipe du Splendid sur deux longs métrages : Vous n'aurez pas l'Alsace et la Lorraine (1977) et Les Bronzés (1978), où le rôle de l'animateur Bobo reste le plus marquant de sa carrière.
Frangin encombrant de Josiane Balasko dans Les Hommes préfèrent les grosses (1981) et complice risque-tout de Coluche dans La Vengeance du serpent à plumes (1984), Luis Rego se fait aussi remarquer en interne alcoolo dans La Smala (id.) et en interprète dépassé par les événements dans la comédie à sketches Tranches de vie (1985). Parallèlement, il triomphe pendant plusieurs années aux côtés de Pierre Desproges dans l'émission radiophonique Le Tribunal des flagrants délires diffusée sur France Inter. En 1986 s'opère un tournant dans sa carrière : Luis Rego s'oriente vers des oeuvres plus exigeantes comme Maine-océan de Jacques Rozier, un cinéaste qu'il retrouvera en 2001 pour les besoins de Fifi Martingale. Fort de cette expérience, il se lance en 1987 dans la réalisation d'un seul et unique long métrage, dont il se réserve la vedette et qui se soldera par un échec retentissant : Poule et frites. Le temps n'est plus au "nanar franchouillard" et l'acteur se fait plus rare à l'écran.
C'est en 1996, sous la direction de Philippe Garrel, que le comédien filiforme refait surface. Mûri et émouvant dans Le Coeur fantôme, il confirme ses talents dramatiques sous la houlette de Noémie Lvovsky (Petites et La Vie ne me fait pas peur). Côté rire, il est M. Da Silva, le concierge de Mille millièmes (2003), la "fantaisie immobilière" de Rémy Waterhouse, et Pinaud, l'un des acolytes du commissaire San Antonio (2005). La même année, il est initié à la musique juive des Cantors par le réalisateur Joseph Morder.