Originaire du New Jersey, Derek Luke s'intéresse dès son plus jeune âge à la comédie. En 1995, il part en Californie pour tenter sa chance avec 1000 dollars en poche. Le jeune homme décide de se trouver un job lui permettant de rencontrer des gens du show-business et réussit à se faire engager comme vendeur dans une boutique de cadeaux chez Sony Pictures. Il y fait la connaissance d'Antwone Fisher, un scénariste qui écrit un film autobiographique sur sa jeunesse difficile, réalisé plus tard par Denzel Washington. Les deux hommes se lient d'amitié et Derek décide de faire tout son possible pour incarner à l'écran cet homme qu'il admire.

Parallèlement, le jeune acteur fait ses débuts sur le petit écran dans des séries télévisées telles que Moesha ou Un Gars du Queens. Ses apparitions, bien que furtives, lui permettent de passer le casting pour interpréter le rôle d'Antwone Fisher. Malgré la déception de Derek suite à son essai qu'il a considéré comme raté, Denzel Washington le trouve très touchant. Il décroche ainsi le rôle et devient, grâce au succès du film, l'acteur qu'il avait toujours rêvé d'être, remportant d'ailleurs l'Independent Spirit Award pour son rôle. En 2003, il interprète le petit ami de Katie Holmes dans Pieces of April, une comédie dramatique de Peter Hedges, avant de rejoindre une bande de motards californiens dans Biker Boyz de Reggie Rock Bythewood. Il poursuit sur sa lancée avec Les Les Chemins du triomphe (2004) et Friday night lights (id.), deux drames sportifs sur le basketball et le football américain, dans lesquels il réussit à décrocher des rôles importants.

En 2007, c'est la consécration pour le jeune acteur, grâce à sa collaboration avec Phillip Noyce qui lui offre le premier rôle dans le biopic du militant africain Patrick Chamusso : Au nom de la liberté. Le prix de la révélation masculine de l'année vient saluer sa prestation lors de la 10ème édition du Hollywood Film Festival. La même année, il fait partie du casting de Lions et agneaux, de Robert Redford, en donnant la réplique à Tom Cruise et à Meryl Streep. Spike Lee lui propose ensuite le premier rôle du Sergent Aubrey Stamps dans son film de guerre Miracle à Santa-Anna (2008). Il incarne plus tard le rappeur et producteur de musique américaine Sean Combs (Puff Daddy), à l'occasion du biopic Notorious B.I.G., sur la vie du "fameux" Christopher Wallace (2009).

Alternant grand et petit écran, il fait partie des acteurs réguliers de Trauma, la série créée par Dario Scardapane dans laquelle il tient le rôle de Cameron Boone. En 2011, il fait une incursion dans le monde des super-héros avec Captain America de Joe Johnston, avant de tourner en 2012 sous la direction de Lorene Scafaria, qui l'invite à faire partie de l'équipe de Jusqu'à ce que la fin du monde nous sépare, une comédie romantique mettant en avant Keira Knightley et Steve Carell. Salim Akil lui offre ensuite le premier rôle masculin dans son film Sparkle, où il se retrouve aux côtés de Whitney Houston peu de temps avant le décès de cette dernière.