Luka Ilić (geboren op 2 juli 1999) is een Servische profvoetballer die speelt als aanvallende middenvelder voor Rode Ster Belgrado. Luka begon op 7-jarige leeftijd met voetballen bij de plaatselijke voetbalclub Filip Filipović, samen met zijn jongere broer Ivan. Later speelde hij bij voetbalclub Real Niš tot 2014, waarna hij zich aansloot bij Rode Ster Belgrado. Hij sloot zich aan bij het eerste team voor het seizoen 2016-2017 onder coach Miodrag Božović en maakte zijn debuut in een vriendschappelijke wedstrijd tegen Ludogorets Razgrad op 14 november 2015.
Ilić tekende zijn eerste profcontract bij Rode Ster Belgrado in februari 2016. Tijdens het zomervoorseizoen van 2017 presenteerde Ilić zich als een van de meest veelbelovende jeugdspelers van de club. Hij maakte zijn officiële debuut voor de club op 6 juli 2017 en verving Slavoljub Srnić in de tweede etappe van de eerste kwalificatieronde voor de UEFA Europa League 2017/18 tegen Floriana. Enkele dagen later accepteerde Rode Ster een bod van het Engelse Manchester City en verkocht Ilić samen met zijn broer Ivan voor een bedrag van €5 miljoen. Als onderdeel van de overeenkomst keerde Luka terug op huurbasis voor één jaar naar Rode Ster.
Ilić maakte zijn debuut in de Servische SuperLiga op 13 augustus 2017, als vervanger van Nemanja Milić in de wedstrijd tegen OFK Bačka. Hij scoorde zijn eerste doelpunt voor het eerste team op 14 oktober 2017, in de 4-0 overwinning op Mačva Šabac. Ilić werd uitgeleend aan het Nederlandse NAC Breda voor het seizoen 2018-2019. Op 3 augustus 2019 werd aangekondigd dat hij, ondanks hun degradatie, nog een jaar zou worden uitgeleend aan NAC.
Ilić werd op de dag van de transferdeadline voor het seizoen 2020-2021 aangekondigd als huurling bij FC Twente. Op 8 juli 2021 werd bekendgemaakt dat hij nog een jaar zou worden uitgeleend aan de club. Na slechts vijf optredens werd besloten dat Ilić na de winterstop niet verder zou gaan met het team en zou terugkeren naar zijn moederclub.
In januari 2022 maakte Ilić een definitieve transfer naar het Franse Troyes, waar hij een contract tekende tot de zomer van 2024. Ilić maakte zijn debuut en scoorde zijn eerste internationale doelpunt voor Servië op 25 januari 2023 in een vriendschappelijke wedstrijd tegen de Verenigde Staten, die Servië met 2-1 won. Hij was een starter in dat duel en scoorde zijn eerste internationale doelpunt.