Debutó como ciclista profesional en la temporada 1999 con el equipo italiano del Cantina Tollo.
En 2013, tras un control antidopaje positivo fue suspendido de por vida, ya que era reincidente.
En 2003 ganó una etapa de la Tirreno-Adriático, así como diversos triunfos en carreras menores del calendario italiano.
Di Luca realizó un mes de abril increíble (mes propicio para clasicómanos) al ganar la Vuelta al País Vasco y dos clásicas de las Ardenas, Amstel Gold Race y Flecha Valona, estas dos últimas en apenas tres días.
Con esas prestigiosas victorias se situó líder de la clasificación individual del UCI ProTour.
Pese a sus varios intentos el podio no fue posible, pero la imagen de un Di Luca combativo y ambicioso quedó grabada.
Sin embargo, el resultado fue decepcionante para el transalpino, realizando una discreta actuación al sufrir mucho en las etapas de alta montaña, no logrando así culminar su gran objetivo.
Pero los ojos del corredor estaban puestos en la ronda italiana, dónde espera conseguir ese ansiado podio en Milán, dado que el recorrido le favorecía bastante, con bastantes etapas llenas de rampas y con una cronoescalada, estilo que es de su agrado.
Sucede en el triunfo a su compatriota Iván Basso (suspendido por estar implicado en la Operación Puerto), y continúa la hegemonía de los italianos en su "grande", siendo Pavel Tonkov el último extranjero en ganar la carrera el año 1996, que se rompió en la edición del 2008, con la victoria del español Alberto Contador.
El equipo sí fue invitado por la organización del Giro de Italia, aunque finalmente no tuvo una actuación destacada, quedando lejos de los favoritos (octavo en la general, a 7' 15" del ganador Alberto Contador), por lo que no pudo revalidar su maglia rosa del año anterior.
Sus únicas victorias durante esa temporada fueron la Settimana Lombarda (más una etapa) y el Giro d'Emilia.
[13] Di Luca precisó asimismo que si bien había hablado a las autoridades sobre los métodos de dopaje, lo había hecho "por el ciclismo" y sin dar nombres de otros ciclistas.