Studiował na Wydziale Prawa i Administracji Uniwersytetu Warszawskiego. Jest absolwentem Wydziału Reżyserii PWSFTviT w Łodzi. Reżyser, scenarzysta i producent filmowy.
Już jego debiut fabularny "Patrzę na ciebie, Marysiu" okazał się dużym wydarzeniem artystycznym i był nagradzany na festiwalach w Gdyni i Mannheim. Barczyk opowiadał w nim historię pary młodych ludzi, których związek przeżywa kryzys. Ona pragnie stabilizacji, małżeństwa i dziecka, on - boi się nagłych zmian. Napięcie, jakie rodzi się między nimi sprawia, że oboje stają się zagubieni i rozedrgani.
Opowiadając o kryzysie w związku swych bohaterów, Barczyk dostosował formę filmu do jego treści. Kamera Kariny Kleszczewskiej opowiada tę historię tak, by film sprawiał wrażenie kręconego amatorską kamerą, a ta ostatnia niemal bezustannie wędruje za bohaterami. Barczyk portretuje swych bohaterów głównie w bliskich planach, by pokazywać ich emocje i wypreparowywać ich z otoczenia. Za swój film w 2000 roku Barczyk otrzymał nagrodę im. Munka dla najlepszego debiutanta, a podczas festiwalu w Gdyni Maja Ostaszewska otrzymała nagrodę za najlepszą kobiecą rolę pierwszoplanową.
W 2003 roku Barczyk powrócił ze swym kolejnym filmem. "Przemiany" to opowieść rozgrywająca się w dworku na prowincji. Mieszkają w nim matka, jej trzy córki, zięć i wnuczka. Pewnego dnia z wizytą przyjeżdża narzeczony jednej z kobiet, a niewinne spotkanie ujawni prawdę o skomplikowanych relacjach łączących członków rodziny, wydobywając na wierzch ukrywane pragnienia, zazdrość i niechęć.
Kameralne i niezwykle intensywne "Przemiany" przyniosły Barczykowi nagrody festiwali w Turynie i Gdyni, zaś Maja Ostaszewska w 2003 roku za swoją kreację otrzymała Orła Polską Nagrodę Filmową. W tym samym roku Barczyk zrealizował dla Teatru Telewizji efektowną wersję "Hamleta", która rozgrywała się we wnętrzach kopalni soli w Wieliczce, a także spektakle "51 minut" oraz "Fantom" według sztuk Ingmara Villqista. W 2006 raz jeszcze reżyserował dla Teatru Telewizji przenosząc na ekran "Na południe od granicy" Harukiego Murakamiego.
W 2008 roku Barczyk zrealizował kolejny pełnometrażowy film. Akcja "Nieruchomego poruszyciela" rozgrywała się w małym miasteczku, a przestrzenią, w której rodziły się obrazy przedstawione w filmie była wyobraźnia głównych bohaterów: Mężczyzny – o pseudonimie Generał, dyrektora fabryki i Teresy, jego podwładnej, która wyzwala w Generale najdziksze instynkty.
Żyjemy w czasach, w których trzeba za wszystko przepraszać, szczególnie kiedy się jest filmowcem. (...) Gdy robię taki film jak 'Poruszyciel', wiem, że jest gigantyczna grupa ludzi, którą on wkurwi. Ale kiedy się wkurwiają, to realizują mój program. Im głośniej krzyczą, tym więcej mówią o sobie, a mniej o mnie - mówił Barczyk Karolinie Sulej .
"Nieruchomy poruszyciel" podzielił widzów i krytyków. Janusz Wróblewski pisał o nim w "Polityce".
Łukasz Barczyk w "Nieruchomym poruszycielu" (...) popełnił (...)błąd polegający na stosowaniu sztuczek Lyncha bez zagłębiania się zbytnio w podświadomość filmowych postaci. W rezultacie zamiast misterium cierpienia, subtelnej plątaniny kompleksów, lęków, niepokojących wizji obnażających ludzkie dusze, zbudował obojętną emocjonalnie rekwizytornię numerów, służącą udziwnieniu akcji" -
Artur Cichmiński w Stopklatce pisał natomiast:
"Łukasz Barczyk swoim trzecim w karierze filmem nie tylko przekonuje, że jest reżyserem utalentowanym, ale też autorem odważnym i bezkompromisowym. (...) zrealizował tym razem film agresywny, krzykliwy, prowokacyjny, a nawet niemoralny przyjmując pewne estetyczne oraz etyczne kryteria. Coś w tym filmie jest. Coś niepokojącego, intrygującego. Chłosta on widza po twarzy, chwilami wręcz nokautuje, ale zamiast odruchowo mu oddać pięknym za nadobne, aż się prosi zapytać: dlaczego?"
Nie mniej kontrowersji wywołał także późniejszy obraz Barczyka. Do pracy przy "Italiani" autor "Przemian" zaprosił wybitnego reżysera teatralnego, Krzysztofa Warlikowskiego i aktorów Teatru Nowego - Jacka Poniedziałka i Renate Jett. Jego film to "podróż w głąb intymnego świata mężczyzny (Krzysztof Warlikowski), jego relacji z rodziną i najbliższymi (Renate Jett, Jacek Poniedziałek), wyprawa w głąb obrazów i przeżyć tak osobistych, że aż paradoksalnie uniwersalnych".
W "Italiani" Barczyk poszukiwał języka filmowego dla wyrażenia podstawowych przeżyć i emocji, języka wychodzącego poza konwencjonalne filmy psychologiczne. Anna Serdiukow pisała o nim w Stopklatce:
"Italiani" to wielkie artystyczne wydarzenie. Powstał film odważny, bezkompromisowy, eksperymentujący z formą. "Italiani" igra z estetyką obrazu, bawi się narracją, bardziej stawia pytania, niż na nie odpowiada. Fajnie, że Łukasz Barczyk przestał się obrażać, tylko robi swoje - dowiódł, że w Polsce może powstać prawie w całości film poza głównym obiegiem finansowania, poza mainstreamem komedii i sensacji oraz poza banalnym kluczem obsadowym.
W 2015 roku do kin trafił kolejny obraz Barczyka. "Hiszpanka" to najbardziej zaskakujący z jego dotychczasowych projektów. Reżyser kojarzony dotąd z intymnym, skromnym kinem, zdecydował się na superprodukcję poświęconą wydarzeniom powstania wielkopolskiego.
W "Hiszpance" Łukasz Barczyk wyciąga powstanie ze zbiorowej niepamięci, ale opowiada o nim na swój sposób. Nie interesuje go faktografia, ani filmowy bryk o przyczynach, przebiegu i skutkach. Nie zobaczymy w jego filmie batalistycznych scen i przygód dzielnych żołnierzy. Barczyk zaprasza widzów do świata swojej wyobraźni i pokazuje powstańczy zryw jako pojedynek telepatów - złowrogiego doktora Abuse wynajętego przez pruską armię oraz grupy polskich patriotów, którzy stawiają mu czoło. Toczą oni walkę o duszę i umysł Ignacego Jana Paderewskiego, polskiego pianisty i działacza politycznego, który wyrusza z USA do Polski z ważną polityczną misją.
