Lucas Balmaceda estudió en el Saint George's College y en 2010 ingresó a estudiar teatro a la Pontificia Universidad Católica de Chile. Mientras cursaba el cuarto año de teatro, en 2014, protagonizó la obra La noche obstinada, del coreógrafo argentino Pablo Rotemberg.​ Ese mismo año debutó en televisión, formando parte del elenco de la serie Los 80, donde interpretó el papel de Axel Miller.​ Al año siguiente fue coprotagonista de la teleserie de TVN Juana Brava (2015) y en 2016 actuó en la telenovela Veinteañero a los 40 de Canal 13. A finales de 2016 tuvo su debut cinematográfico en la comedia juvenil Prueba de actitud, de Fabrizio Copano y Augusto Matte. Apareció en dos episodios de la tercera temporada de la serie Narcos, de Netflix, donde compartió pantalla con su hermano Pedro. En 2020, Balmaceda participa en la serie de streaming Amazon Prime Video, La Jauría.