Luigi Vannucchi débute en 1950 au théâtre, où il sera très actif jusqu'à son décès, interprétant notamment plusieurs pièces de William Shakespeare, et également, Luigi Pirandello, Molière, Henrik Ibsen, entre autres.
À la télévision, il apparaît dans des séries et téléfilms, de 1954 à 1978. Il joue au cinéma entre 1955 et 1975. Sa dernière apparition sur grand écran est dans Le Sauvage, aux côtés de Catherine Deneuve et Yves Montand. Il se suicida dans la nuit du 29 au à son domicile romain après avoir ingéré une surdose de barbituriques.