Luke Timothy Grimes est né le 21 janvier 1984 à Dayton, dans l'Ohio. Sa mère est Angie Grimes (née Barker), son père est le révérend Randy Grimes. Luke a trois frères et sœurs aînés.

En 2002, Luke est diplômé de la Dayton Christian High School, puis il est parti à New York, où il a obtenu son diplôme de l'American Academy of Dramatic Arts.

Les débuts de l'acteur sur grand écran ont eu lieu en 2006, dans le film « Tous les garçons aiment Mandy Lane », et depuis 2009, Grimes joue dans des séries télévisées.