Luis inició su carrera en 1994 en su Galicia natal participando en cortos y series de televisión, y ha desarrollado su carrera como actor de cine, televisión y teatro, así como productor.

Su filmografía es extensa y variada, donde destacan: Los lunes al sol (2002) de Fernando León, por la que ganó el Goya al mejor actor de reparto; Te doy mis ojos de Icíar Bollaín (2003), por la que ganó el Goya al mejor actor y la Concha de Plata en el Festival de San Sebastián; The limits of control (2009) del cineasta independiente Jim Jarmusch; Celda 211 (2009) dirigida por Daniel Monzón, gracias a la cual volvió a hacerse con el Goya al mejor actor protagonista.

Volvió a ser candidato a este palmarés cinematográfico en su XXV edición con También la lluvia, de nuevo dirigido por Icíar Bollaín. En el último año ha participado en la taquillera El niño, donde repitió con Daniel Monzón, y en Musarañas, el thriller dirigido por Juan Fernando Andrés y Esteban Roel.