Lucas est né dans une famille modeste et il a dû travailler très jeune pour aider sa famille à subsister. C'est grâce à ses excellents résultats à l'école qu'il put poursuivre des études supérieures. En 1863, il obtient un poste d'instituteur à Dijon et en 1867, il devient professeur de mathématiques à l'École centrale des arts et manufactures à Paris.
Son travail sur les nombres premiers est commencé en 1870 lorsqu'il tente de trouver une preuve du théorème d'Abel sur la solvabilité des équations de degré supérieur à quatre par des méthodes analytiques. Bien que ses recherches ne aboutissent pas à une solution pour le théorème, il découvre une fonction qui porte aujourd'hui son nom et qui est utilisée dans de nombreux domaines de la mathématique. Cette fonction est connue sous le nom de fonction de Lucas.
En 1876, Lucas démontre avec son père, Marius-Paul Lucas, que les nombres premiers sont distribués uniformément parmi les nombres entiers. Il étend ensuite cette propriété aux nombres premiers supérieurs à un certain nombre de Mersenne en utilisant la fonction de Lucas qu'il a définie plus tôt.
Malheureusement, la santé fragile de Lucas lui fait subir de fréquentes crises et il ne peut poursuivre ses recherches comme il le voulait. Il est mort à Paris en 1891 à l'âge de 48 ans.
La contribution de Lucas à la mathématique a été reconnue dans son temps mais elle a également été surévaluée et il a dû subir des critiques pour certaines de ses idées et méthodes. Cependant, aujourd'hui, ses travaux sont considérés comme fondamentaux dans le domaine des nombres premiers et la théorie analytique des nombres.