Nacido en Moneglia, en la República de Génova, del pintor Giovanni Cambiasi, Luca Cambiasi también fue conocido como Cambiaso, Cangiagio y Lucchetto da Genova. Él comenzó a pintar cuando era joven, con su padre: las primeras obras del pintor genovés se realizaron cuando tenía sólo 15 años de edad. A los 17 años ayudó a su padre en la decoración del Palazzo Doria. Él trabajó con el pintor de escenas históricas el Bergamasco (1500-1579) y se convirtió en su asistente para as decoraciones de la iglesia de San Mateo.
Cambiaso fue un diseñador apasionado y audaz, con un estilo siguiente al de Raffaello (1483-1520) y Miguel Ángel (1475-1564). Parece que a veces trabajó con un pincel en cada una de las manos. Fue muy influenciado por el trabajo apasionado de Correggio (1489-1534), y por los venecianos del Renacimiento tardío. A veces se ha comparado con el maestro Tintoretto (1518-1594). Sin embargo, su diseño tenía un estilo muy personal, con formas geométricas básicas, definidas casi cubistas. Las obras de Cambiaso se encuentran principalmente en Génova, en la iglesia de San Giorgio, donde observamos el Martirio de san Giorgio, y en la basílica de Santa Maria Assunta da Carignano, donde hay su Piedad, que contiene también un autorretrato y la representación de su querida cuñada.
En los años Treinta su producción empieza a declinar en fuerza, aunque si no declinó su reputación, debido a los problemas causados por su pasión con su cuñada. Su esposa había muerto y su cuñada tuvo cuidado de su casa y su hijos, pero él no pudo obtener la dispensa papal para casarse con ella. Sin embargo, Cambiaso realizó muchas obras obras notables, como varias escenas nocturnas, poéticas y aclamadas, como la Adoración de los Pastores de 1570 y la Virgen de la vela, de 1575, inspirada en la Natividad de Correggio.
En los Uffizi se encuentra su Virgen con el Niño. En 1583 aceptó la invitación de Felipe II de España (1527-1598) para completar los frescos empezados por el Bergamasco en el real monasterio de Escorial. Es posible que la razón principal por la que aceptó ir a España fue la esperanza de que allá la familia real podría ayudarle obtener la dispensa papal, pero no fue así. En el Escorial pintó un Paraíso en la bóveda de la iglesia, con una multitud de figuras. Para el trabajo recibió 2,000 ducados, probablemente la suma más alta jamás pagada en ese momento, para un solo trabajo. El artista murió en España.
El hijo de Cambiaso, Orazio, se convirtió en un pintor. Hubo muchos seguidores del estilo de Cambiaso en Génova, y él fue el pintor más importante del siglo XVI en la ciudad, fundando la escuela genovesa de pintura.