Luca Dotto gagne une médaille de bronze lors des Championnats d'Europe juniors de natation 2007 à Anvers sur 50 m nage libre. Au niveau senior, il remporte sa première médaille lors des Championnats d'Europe 2009 en petit bassin disputés à Istanbul en obtenant le bronze au titre du relais 4 × 50 m nage libre. L'année suivante, toujours en petit bassin, Dotto est médaillé d'or au titre du relais 4 × 50 m nage libre et médaillé de bronze du 100 m nage libre au niveau européen et médaillé d'argent au titre du relais 4 × 100 m nage libre au niveau mondial.
Présent en 2011 aux Championnats du monde de Shanghai, Dotto termine deuxième du 50 mètres nage libre en 21 s 90, à 38 centièmes de seconde de César Cielo et 2 centièmes devant Alain Bernard[2]. Dotto est également septième du 100 m nage libre en 48 s 24 et quatrième du relais 4 × 100 m nage libre en 3 min 12 s 39. En petit bassin, Dotto est en fin d'année médaillé d'or au titre du relais 4 × 50 m nage libre et médaillé d'argent du 100 m nage libre au niveau européen.
La médaille mondiale de Dotto à Shanghai lui vaut d'être directement retenu pour les Jeux olympiques de Londres[3]. Lors de ces Jeux, Dotto participe au 50 m nage libre, au 100 mètres nage libre ainsi qu'aux relais 4 × 100 m nage libre et 4 × 100 m quatre nages. Il n'atteint la finale qu'en relais 4 × 100 m nage libre et s'y classe septième[1].
Aux Championnats du monde 2013 de Barcelone, Dotto termine huitième du 100 m nage libre en 48 s 58 et cinquième du relais 4 × 100 m nage libre en 3 min 12 s 62. En fin d'année, il obtient deux médailles d'argent aux championnats d'Europe en petit bassin d'Herning sur 4 × 50 m nage libre et 4 × 50 m nage libre mixte.
Le , Dotto remporte le premier titre européen de la nouvelle épreuve du relais 4 × 100 m mixte, devant la Russie et la France, en battant le record européen avec ses coéquipiers Giada Galizi, Luca Leonardi et Erika Ferraioli.
Le , Dotto, premier relayeur de son club lors du relais 4 × 100 m nage libre des Championnats d'Italie, réalise 47 s 96, soit un record national qu'il prend à Filippo Magnini (48 s 04 en 2009)[4].