Sus grandiosos ciclos comenzaron por la abadía del Monte Oliveto Maggiore (allí trabajó en colaboración con il Sodoma), en las escenas de la Vida de san Benito abad.
Ocupan tres vastos lunetos, cada uno de ellos con una única composición narrativa continua.
Todos estos frescos, inspirados en la Divina Comedia de Dante, que realizó entre 1499 y 1502, constituyen sus capolavori (obras maestras), siendo por su apasionada violencia expresiva, la crudeza de la realización pictórica y la complejidad iconográfica los precedentes más significativos de Miguel Ángel y Rafael.
En 1508, el Papa Julio II convocó a diversos artistas a Roma, incluidos Signorelli, Perugino, Pinturicchio e Il Sodoma para pintar las grandes salas del Palacio del Vaticano.
Su trabajo fue destruido, excepto el techo de la Stanza della Segnatura.
Entonces Luca regresó a Siena, pero vivió principalmente en su ciudad natal de Cortona.
Estaba parcialmente paralizado cuando comenzó un fresco del Bautismo de Cristo en la capilla del palacio del cardenal Passerini cerca de Cortona, que es el último cuadro que se le atribuye (alternativamente, una Coronación de la Virgen en Foiano della Chiana).
Superó a sus contemporáneos en mostrar la estructura y el mecanismo del desnudo en acción inmediata, incluso yendo más allá de la naturaleza en experimentos de este tipo, probando actitudes y combinaciones hipotéticas.
Sin embargo, la figura que se cree que es Fra Angelico no está vestida como un fraile dominico, y el supuesto retrato de Signorelli no coincide con el del estudio de Vasari.