Il grandit à Namur et suit ses études secondaires à l'athénée royal de Philippeville où son père est directeur. En 1979, en fugue, il monte à Paris en auto-stop pour devenir comédien.
En 1981, il obtient le premier rôle dans Allons z'enfants d'Yves Boisset, au côté de
Jean Carmet dans lequel il joue un jeune insoumis obligé de devenir enfant de troupe. Il tourne également avec
Claude Chabrol dans
Poulet au vinaigre face à
Jean Poiret en inspecteur de police peu scrupuleux.
Il est aussi un réalisateur et, en particulier, auteur de la fameuse trilogie constituée des films Un couple épatant, Cavale et Après la vie. Ces trois films dont les actions s'entrecoupent, racontent les mêmes évènements sur le mode comique dans Un couple épatant, policier dans Cavale, et dramatique dans Après la vie. Avec cette trilogie, Lucas Belvaux remporte le Prix Louis-Delluc en 2003.
En 2009, il réalise
Rapt, un film librement inspiré de l'affaire Empain.
Il est le frère de Rémy Belvaux, acteur et réalisateur du film culte C'est arrivé près de chez vous.