Il commence sa carrière en 1960 dans la série télévisée *Les Compagnons de la télémark*, puis poursuit dans des rôles secondaires à la télévision et au cinéma jusqu'en 1975. Cette année-là , il incarne le personnage principal dans le film *Les Choses de l'amour* réalisé par Claude Sautet, qui connaît un grand succès commercial et critique. Cela lui permet de se faire connaitre du grand public et d'obtenir de nombreux rôles dans des films prestigieux comme *La Maman et la Putain* (1973) ou encore *Les Valseuses* (1974).
Au début des années 80, Jean-Luc Moreau commence à se tourner vers le métier de réalisateur. Il réalise plusieurs films pour la télévision avant de dévoiler son premier long métrage, *Le Château de sable*, en 1984. Ce film, qui reçoit une nomination aux Césars, raconte l'histoire d'un jeune garçon qui a été abandonné sur une île et doit surmonter les dangers du quotidien pour survivre.
Parmi ses autres films notables en tant que réalisateur figurent *La Rage au ventre* (1987), *Les Enfants de l'enfer* (1988) et *Le Dernier des fous* (1994). Jean-Luc Moreau a également créé et dirigé plusieurs séries télévisées.
En 2001, il est nommé Chevalier dans l'Ordre national du Mérite et en 2016, il est fait Chevalier de la Légion d'honneur pour ses contributions à l'industrie cinématographique française.
Jean-Luc Moreau a également travaillé comme producteur sur plusieurs films comme *Le Crabe-tambour* (1989) et *La Vie moderne* (1992). Sa carrière est marquée par son engagement social, notamment en ce qui concerne les droits des animaux.
Aujourd'hui, Jean-Luc Moreau continue à travailler dans le monde du cinéma et à participer à divers projets sociaux.