Figlio dell'ematologo Guido Lucarelli (1934),[1] e pronipote di Antonio Meucci[2]. Il suo esordio letterario avviene con il gialloCarta bianca, del 1990. Ha scritto per diversi giornali o riviste (il manifesto, L'Europeo,Il Messaggero, L'Unità, xL) e ha vinto numerosi premi letterari[3].
Per Einaudi ha pubblicato la serie di romanzi con protagonista l’Ispettrice Grazia Negro, Lupo Mannaro, Almost Blue (1996), dal quale è tratto l'omonimo film, Un giorno dopo l’altro (2000), Il sogno di volare (2013), e la serie con l’Ispettore Coliandro, Falange armata e Il giorno del lupo. La serie con il commissario De Luca, Carta bianca, L'estate torbida, Via delle oche, Intrigo italiano, Peccato mortale e L'inverno più nero. Sempre per Einaudi sono usciti anche: L’isola dell’angelo caduto, Guernica, Laura di Rimini, L’ottava Vibrazione, Albergo Italia e Il tempo delle Iene. Molti suoi racconti sono stati raccolti nell’antologia Il lato sinistro del cuore.
Dal 1999 al 2009 ha condotto Blu notte - Misteri italiani (nella prima edizione si chiamava Mistero in Blu), programma in onda su Rai 3 in prima serata che analizzava in modo approfondito fatti di cronaca, indagini su disastri e su omicidi seriali dell'ultimo cinquantennio della storia italiana.
Per la televisione nel 2006 ha preso parte alla serie Distretto di Polizia 6 nel ruolo di sé stesso e ha ideato la fiction L'ispettore Coliandro (diretta dai Manetti Bros.), e Milonga Station. Nel 2008 è andata in onda una serie di quattro film tv tratti dai romanzi della serie Il Commissario De Luca. Insieme a Giampiero Rigosi ha ideato la serie televisiva La porta rossa, in tre stagioni, dal 2017 al 2023.
Nel 2008, insieme a Paola De Martiis, ha firmato uno spettacolo teatrale rappresentato a Cracovia il 27 gennaio, diventato poi un documentario in onda su Rai Tre, Un treno per Auschwitz: un viaggio nella memoria e per la memoria della Shoah, organizzato dalla Fondazione ex campo Fossoli, che ogni anno si rivolge principalmente a circa 600 studenti delle scuole superiori della provincia di Modena. Lucarelli ha viaggiato con gli studenti partendo dalla stazione ferroviaria di Carpi, da dove oltre settant'anni fa partivano i treni per Auschwitz.[4]
Nel 2010 ha fondato insieme a Giampiero Rigosi, Michele Cogo e a Beatrice Renzi la scuola di scrittura "Bottega Finzioni" a Bologna.
Nel 2014 esordisce sul canale Sky Arte HD con il programma Muse Inquietanti (2014 - 2018) e nel 2015 sul canale Crime Investigation con Profondo Nero (2015 e 2016). Nel 2019 sempre su Sky Arte HD va in onda Inseparabili.
Per il teatro ha scritto Via delle Oche, Tenco a tempo di tango, Pasolini un mistero italiano. Ha pubblicato alcuni libri per ragazzi (Nikita, Il trillo del diavolo, Febbre gialla) e nel 2015 è uscito il suo primo libro per bambini: Thomas e le gemelle, per Rrose Sélavy Editore.
Nel gennaio del 2022 su RaiPlay con il podcastApnea racconta i fatti del naufragio della Costa Concordia a dieci anni dall’incidente. L’anno seguente firma il podcast Nero come il terrore con il criminologo Massimo Picozzi dopo il successo dei primi due Nero come il sangue e Nero come l’anima, tutti incentrati su crimini famosi.
Nikita, collana I delitti del Gruppo 13. Antologia illustrata dei giallisti bolognesi. 10 racconti, 1ª ed., Bologna, Metrolibri, 1991, ISBN88-7248-021-3.
Amok. Le stragi dell'odio, con Massimo Picozzi, Milano, A. Mondadori, 2018, ISBN978-88-04-68597-5.
L'incredibile, prima di colazione : strane storie per cominciare bene la giornata, Milano, Solferino, 2020, ISBN978-88-282-0452-7.
Nero come il sangue : storia dell'omicidio dalla Rivoluzione francese ai giorni nostri, con Massimo Picozzi, Milano, Solferino, 2021, ISBN978-88-282-0730-6.
Nero come l'anima. Storia dell'omicidio dal Rinascimento alla Rivoluzione francese, con Massimo Picozzi, Milano, Solferino, 2022, ISBN978-88-282-1027-6.
Nero come il terrore. Storia dell'omicidio nel medioevo, con Massimo Picozzi, Milano, Solferino, 2023, ISBN978-88-282-1303-1.
2018: Premio "Dante d’Oro” Bocconi di Milano, conferito da parte di un’associazione studentesca a personalità illustri del panorama culturale nazionale e internazionale