Han startet karrieren i italienske Riso Scotti i 1998, men hans første profesjonelle seier kom ikke før i 1999, da han vant den første etappen av Giro d’Abruzzo, nå for Cantina Tollo-Alexia som han syklet for også etter at laget slo seg sammen med Acqua & Sapone. Di Luca hadde stor suksess i Acqua & Sapone, der han blant annet tok en etappeseier i Giro d'Italia og klassikeren Giro di Lombardia. I 2002 meldte han overgang til Saeco, der han opplevde mye uflaks. Han led av mange skader og manglende satsing på han fra teamets side, og valgte å signere for det nystartede Liquigas-Bianchi i 2005 med stjerner som Mario Cipollini, Stefano Garzelli og Magnus Bäckstedt på laget. Med et solid grunnlag fra vårklassikerne, der han vant Amstel Gold Race og La Flèche Wallonne, tok Di Luca i 2005 den første hvite ProTour-trøya hjem til Italia.
I 2006-sesongen klarte han ikke å kopiere topp-plasseringene fra fjoråret, men han vant 5. etappe av Vuelta a España og fikk kjøre noen dager i ledertrøya.
Etter Giro d'Italia kom det fram at Danilo Di Luca hadde avgitt en dopingprøve med unormale hormonverdier etter etappen til Monte Zoncolan den 30. mai.[1]
I slutten av 2007, med bare ett UCI ProTour-ritt igjen, ble Di Luca avstengt fra sykkelsporten i tre måneder for innblanding i dopingsaken 'Oil for drugs'.[2] Han ble dessuten strøket fra ProTour-rankingen som han ledet. Liquigas forlenget ikke kontrakten med syklisten etter utestengelsen og fra sesongen 2008 konkurrerte han for LPR Brakes.
17. juli2009 ble Di Luca igjen suspendert av det internasjonale sykkelforbundet etter å ha avlagt to positive dopingtester under Giro d'Italia samme år.[3] Han ble utestengt i to år, frem til 21. juli 2011, og måtte betale € 280 000 i bot.[4]
