Começou sua carreira na escolinha do ex-jogador Lucas Miguelão em Diadema.
Chegou ao São Paulo aos 13 anos de idade, ainda com o apelido de Marcelinho, pela fisionomia semelhante à de Marcelinho Carioca.
Logo após chegar ao clube, teve crescimento no desempenho do seu futebol e, ainda no primeiro ano, Lucas foi campeão paulista da sua categoria.
Permaneceu nas categorias de base do SPFC até atingir a faixa etária dos jogadores que disputam a Copa São Paulo de Futebol Júnior.
Depois de ser campeão da Copa São Paulo de Futebol Júnior de 2010, acabou sendo integrado ao elenco profissional do São Paulo no mês de agosto do mesmo ano, através do técnico Sérgio Baresi.
Lucas passou a ser escalado como titular nos jogos seguintes após manter boas atuações em campo e fez seu primeiro gol como jogador profissional na sua quarta partida como titular, contra o Atlético-MG no Estádio Ipatingão em Minas Gerais, além de ter construído a jogada que terminaria com o gol da virada feito pelo Fernandão.
Após um excelente ano de estreia como profissional, no fim de 2010, a FIFA citou o jogador como uma das principais revelações do ano.
Em 17 de fevereiro de 2011, Lucas assinou a renovação de seu contrato com o São Paulo até 31 de dezembro de 2015.
No Campeonato Brasileiro de 2011, tornou-se o goleador mais jovem do São Paulo na história da competição, com 9 gols durante o campeonato. Depois de uma ótima segunda temporada, Lucas se torna a principal arma ofensiva tricolor ao lado de Luís Fabiano.
Em 12 de dezembro de 2012, Lucas fez seu último jogo pelo São Paulo, antes de se apresentar para o Paris Saint-Germain. No jogo, fez 1 gol e deu assistência para o segundo gol do São Paulo, na vitória do clube sob o Tigre da Argentina, pela final da Copa Sul-Americana, e levamos a Taça!
Pelo PSG, conquistou o Campeonato Francês de 2013 e 2014. Em 31 de janeiro de 2018, foi anunciado como novo jogador do Tottenham, levando o time a disputar a final da Champions League.
Em agosto de 2023, acertou retorno ao São Paulo Futebol Clube, depois de onze anos de sua última passagem no clube. Lucas foi o herói da classificação do São Paulo para a final da Copa do Brasil, na vitória por 2×0 sobre o Corinthians, em 16 de agosto, no Morumbi.