Luc Illusie est reçu en 1959 au concours de l'École normale supérieure, rue d'Ulm. Il est un élève du mathématicien Henri Cartan, et participe au séminaire Cartan-Schwartz en 1963-1964[1]. En 1963, il devient attaché de recherches au CNRS[2].
Chargé de recherches, puis maître de recherches, au laboratoire de mathématiques[3] de l'université Paris-Sud, il y est ensuite professeur. De 1984 à 1995, il y dirige l'équipe d'arithmétique et de géométrie algébrique. En 1993, il participe à la révision du manuscrit de Wiles sur la démonstration du dernier théorème de Fermat[4].
Complexe cotangent et déformations, Lecture Notes in Mathematics 239 et 283, Berlin et New-York, Springer, 1971-1972.
(éditeur) Cohomologie ℓ-adique et fonctions L, Séminaire de Géométrie Algébrique du Bois-Marie 1965-66, SGA 5, dirigé par Alexandre Grothendieck, Lecture Notes in Mathematics 589, Berlin et New-York, Springer, 1977.
(coauteur avec Michel Raynaud) « Les suites spectrales associées au complexe de De Rham-Witt », Publ. Math. IHES, vol. 57, 1983, p. 73-212.
(coauteur avec Pierre Deligne) « Relèvements modulo p² et décomposition du complexe de de Rham », Inv. math., vol. 89, , p. 247-270.
« Sur la formule de Picard-Lefschetz », dans Algebraic Geometry 2000. Azumino (Hotaka), Tokyo, Mathematical Society of Japan, coll. « Advanced Studies in Pure Mathematics » (no 36), , p. 249-268.