Lukas Mayer absolvierte seine Ausbildung an der renommierten Folkwang Universität der Künste in Essen. Bereits während des Studiums stand er regelmäßig auf der Bühne, unter anderem am Theater Dortmund, am Theater Bonn und am Düsseldorfer Schauspielhaus. 2019 wurde er mit dem 1. Preis beim Bundeswettbewerb Gesang in Berlin ausgezeichnet.

Direkt im Anschluss an sein Studium feierte er am Theater St. Gallen sein Debüt in der Uraufführung von Michael Kunzes und Sylvester Levays Lady Bess, wo er die Rolle des Philipp von Spanien kreierte. An den Bühnen Bern folgte das Engagement als Gabe in Next to Normal. Für seine Darbietungen in The Pajama Game und Die Dreigroschenoper bei den Schlossfestspielen Ettlingen wurde er mit dem Kurt-Müller-Graf-Publikumspreis geehrt. Anschließend übernahm er in der deutschsprachigen Erstaufführung von Jersey Boys die Partie des Four-Seasons-Komponisten Bob Gaudio.

In der Spielzeit 2023/24 kehrte Mayer als Angel in Rent ans Theater Dortmund zurück und stand zudem in der Titelpartie von Jesus Christ Superstar am Staatstheater Nürnberg auf der Bühne. Zuletzt tourte er mit der Erfolgsproduktion der Vereinigten Bühnen Wien als Der Tod in Elisabeth durch Deutschland, die Schweiz und China.

Neben seiner Theaterarbeit steht Lukas Mayer regelmäßig vor der Kamera: So war er jüngst an der Seite von Heiner Lauterbach im Spielfilm Very Best Ager zu sehen; demnächst wird er in einer Nebenrolle für eine Netflix-Produktion vor der Kamera stehen.