Nació, en una familia de tejedores, pero tanto él como sus hermanos Gianfrancesco y Bartolommeo se hicieron pintores.
Ya reconocido como maestro, Luca Penni fue llamado, junto con Rosso Fiorentino y Francesco Primaticcio (Le Primatice), para trabajar para Francisco I de Francia en el palacio de Fontainebleau, que el rey quería dotar del delicado y sofisticado estilo del Renacimiento italiano.
[1] Penni formó parte del equipo dirigido por Primaticcio que decoró el pavillon des Poêles y la galerie d’Ulysse; también pintó cartones para tapices.
[1] Sus obras mitológicas, religiosas y seculares tuvieron una gran difusión a través de grabados de Jean Mignon y Léon Daven.
René Boyvin grabó el retrato que Penni había hecho de Enrique II.