Luna mengawali kariernya sebagai model. Ia terjun ke dunia peran pada 2004 sebagai peran pendukung lewat film 30 Hari Mencari Cinta. Dalam film tersebut, Luna berperan sebagai Barbara, seorang gadis cantik dan seksi yang menjadi idaman pria. Ini adalah peran pertama Luna sebagai tokoh antagonis. Setelah itu Luna muncul dalam film Brownies pada tahun 2005. Dalam film arahan sutradara Hanung Bramantyo itu, Luna kembali menjadi peran pendukung. Peran pertama Luna sebagai tokoh utama adalah sebagai Mina dalam Bangsal 13 pada tahun yang sama.

Nama Luna kian melambung di jagat hiburan Indonesia, setelah ia berperan di film Cinta Silver.

Setelah Cinta Silver, Luna muncul dalam Ruang, aktingnya meraih sejumlah nominasi di ajang penghargaan film nasional termasuk Festival Film Indonesia. Selain film layar lebar, Luna juga eksis di dunia sinetron dan membintangi sejumlah iklan ternama seperti Lux, Zestea, Sarimi, Vitalong C, XL, Bu Krim Detergen, Toshiba, dll.

Sederet prestasi yang diraih oleh Luna membuat ia dipilih sebagai salah satu pembawa obor di ajang Olimpiade 2008. Tak hanya dunia peran dan model yang digeluti oleh Luna. Bersama Dewi Sandra dan Sandra Dewi, Luna turut menyumbangkan suaranya dalam lagu tema Euro 2008 berjudul “Play”.

Setelah kolaborasinya dengan Dewi Sandra dan Sandra Dewi, Luna kembali melakukan kolaborasi, kali ini dengan Dide, vokalis band Hijau Daun. Mereka menyanyikan lagu “Suara (Ku berharap)” milik “Hijau Daun” yang diaransemen ulang dalam versi dangdut. Lagu ini menjadi soundtrack untuk film Luna, Janda Kembang. Selain itu, Luna juga melebarkan sayap di bidang penyutradaraan dengan menyutradarai sebuah film pendek indie berjudul “Suci And The City” , video klip single terbaru penyanyi Nadia (Dhea Ananda) berjudul Kau Tak Setia dimana Luna juga bertindak selaku produser untuk album terbarunya, dan video klip dari sebuah band baru bernama Malka

Awal April 2010, Luna yang ditetapkan oleh Indonesia’s Showbiz Insiders sebagai #1 Highest Paid TV Star 2009 dan #3 Highest Paid Actress 2009.

November 2010 Luna tampil sebagai bintang tamu di mini konser Cinta Silver oleh penyanyi Glenn Fredly yang memang khusus mendedikasikan konser tersebut untuk Luna dan sutradara Erwin Arnada. Pada konser tersebut, Luna membacakan sebuah puisi cinta.

Saat ini Luna Maya mulai menjadi sutradara dan sudah membuat film pertamanya Pintu Harmonika.