Luigi Villoresi fut l'un des meilleurs pilotes italiens de l'après-guerre, mais il a toujours été devancé par ses compatriotes lors du championnat du monde, ce qui l'a empêché de remporter la victoire.

Il commence sa carrière en 1931 au volant d'une Fiat, disputant les épreuves des Mille Miglia sur une 508 CS, avant de rejoindre Maserati en 1936. L'année suivante, il remporte sa première victoire lors du Grand Prix de Brno. En 1938, il remporte le titre italien dans la catégorie Voiturette, ainsi que le Grand Prix d'Albi. En 1939, il conserve son titre italien et remporte les courses d'Albi, de Pescara et en Afrique du Sud. Il remporte également l'une des grandes courses de l'époque : la Targa Florio. Cette année est toutefois marquée par la mort de son frère, Emilio, qui courait pour Alfa Romeo, le concurrent direct de Maserati. Puis la guerre éclate et, en 1940, il remporte de nouveau la Targa Florio, avant d'être fait prisonnier de guerre.

A la Libération, il pense immédiatement à poursuivre sa carrière et à reprendre le volant d'une Maserati de l'équipe Ambrosiana. Dès 1946, il remporte d'ailleurs le Grand Prix de Nice. Il s'impose alors comme l'un des meilleurs pilotes de l'après-guerre. En 1947, il remporte deux courses de la Temporada Libre en Argentine, puis s'impose trois fois en France et remporte la victoire à Lausanne. Il s'impose également lors du championnat italien de Formule 1, un titre qu'il conserve l'année suivante, tout en remportant deux courses à Buenos Aires, puis en s'imposant à Comminges et à Albi. Il remporte également les Grands Prix de Grande-Bretagne à Silverstone et de Penya Rhin à Barcelone, après avoir survécu à un terrible accident sur le circuit suisse de Bremgarten.

En 1949, après deux autres victoires dans la Temporada Libre, il quitte l'écurie Maserati pour rejoindre la Scuderia Ferrari, où il se lie d'amitié avec son compatriote Alberto Ascari. Il remporte trois épreuves de Formule 2, puis s'impose lors du Grand Prix des Pays-Bas, disputé sur le circuit de Zandvoort. L'année suivante, le championnat du monde commence.

Les deux premières saisons sont marquées par la domination des Alfa Romeo, mais Luigi réalise de magnifiques performances lors des essais qualificatifs. En 1950, en Suisse et en Belgique, il est le pilote le plus rapide hors Alfa Romeo. Il remporte également plusieurs courses hors championnat, en Argentine et à Marseille, puis les épreuves de F2 disputées à Erlen et à Monza. En 1951, Ferrari présente une nouvelle monoplace, la 375, avec laquelle Luigi monte trois fois consécutivement sur le podium du championnat : il termine troisième en Belgique, en France et en Grande-Bretagne, après avoir remporté les épreuves hors-championnat de Syracuse et de Pau. En 1952, le retrait des Alfa Romeo et un changement de réglementation fusionnant la F1 et la F2 permettent à Ferrari de dominer le championnat du monde pendant deux saisons.

Durant ces deux années, il est dépassé par son ami Ascari, qui décroche deux titres de champion du monde, tandis que Luigi ne peut disputer que deux épreuves en championnat, qu'il termine à chaque fois sur le podium. Hors championnat, il s'impose à cinq reprises. En 1953, il dispute une saison complète et termine deuxième en Argentine et en Belgique, puis troisième en Italie. Il monte à huit reprises sur le podium en seulement vingt courses.

En 1954, il quitte Ferrari avec Ascari pour rejoindre Lancia, mais la D50 n'est prête que pour la dernière course de la saison à Pedralbes. Luigi doit donc assurer l'intérim sur une Maserati 250F. En cours de saison, il est victime d'un accident lors des Mille Miglia. En 1955, un drame frappe l'équipe : Alberto Ascari meurt lors d'un test de Ferrari à Monza. Le retrait de Lancia le prive de volant pour la saison 1956, mais il pourra tout de même conduire une Maserati engagée à titre privé.

Il participe également à des courses de voitures de sport et est victime d'un grave accident à Castelfusano, où il se casse une jambe. A la demande de sa famille, il prend sa retraite et ne participe qu'à une seule course, le rallye de l'Acropole en 1958, qu'il remporte sur une Lancia.