Luca Salvo Parmitano nasceu em Paterno, província de Catania – Sicília, a 27 de Setembro de 1976. Terminou o ensino secundário em 1995, frequentando o Liceo Scientifico Statale Galileo Galilei, em Catania, e em 1999 obteve um bacharelato em Ciências Políticas pela Universidade de Nápoles Federico II. Em 2000 graduava-se pela Academia da Força Aérea Italiana em Pozzuoli e em 2001 frequentava os treinos ao abrigo do programa conjunto de pilotos de jacto Euro-NATO na Base Aérea de Shepard, Texas. Em Julho de 2009 finalizava o seu treino como piloto de teste na Escola de Pilotos de Teste Francesa (EPNEP-Ecole du Personnel Navigant d’Essais et de Reception) em Istres.
Serviu como piloto da Força Aérea Italiana e entre 2001 e 2007 pilotou o avião AM-X no 13.º Esquadrão, 32.ª Asa em Amendola, recebendo a qualificação de Prontidão de Combate, Líder de Esquadrilha e Comandante de Missão. Em 2003, na Base da Força Aérea de Pratica di Mare – Roma, foi qualificado como Oficial de Guerra Electrónica.
A 20 de Maio de 2009 foi seleccionado para a Equipa de Astronautas da ESA (4.ª selecção) e após a finalização do curso geral de treino espacial, recebeu a certificação de astronauta da ESA a 22 de Novembro de 2010 numa cerimónia realizada no Centro de Astronautas Europeus, Colónia – Alemanha. No Outono de 2010 frequentou um curso especial no Centro de Treinos de Astronautas do Centro Espacial Johnson, Houston – Texas.
A 5 de Dezembro de 2010 era anunciado que Luca Parmitano havia sido seleccionado para a tripulação principal da Expedição 36/37 como Engenheiro de Voo. Na mesma altura esta tripulação (Maksim Suraev e Karen Nyberg) seriam suplentes da Soyuz TMA-07M. A 18 de Fevereiro de 2011 a nomeação foi confirmada pela ESA e pela NASA.
A 18 de Agosto participou em treinos aquáticos no Centro de Treino do Ministério de Emergências na vizinhança de Noginsk.
A 27 e 28 de Novembro levou a cabo com sucesso os exames de treino no simulador do segmento russo da ISS e no simulador da Soyuz TMA juntamente com Fyodor Yurchikhin e Karen Nyberg. A 29 de Novembro era aprovado como Engenheiro de Voo da tripulação suplente da Soyuz TMA-07M, decisão esta que foi confirmada a 18 de Dezembro.
A Soyuz TMA-09M foi a missão espacial de Luca Parmitano que assim se tornou no 6.º astronauta italiano e no 529.º ser humano a realizar uma missão espacial orbital.