W 1999 roku znalazł w gronie debiutantów XXXVI Krajowego Festiwalu Piosenki Polskiej w Opolu, gdzie zaśpiewał piosenkę z repertuaru Mietka Szcześniaka "Przyszli o zmroku". Choć występ debiutanta przeszedł prawie bez echa, został zaproszony do współpracy przez Natalię Kukulską i zaczął śpiewać u niej w chórkach.
W konsekwencji swojego debiutu został zaproszony przez Macieja Pawłowskiego, kierownika muzycznego Teatru Muzycznego "Roma" w Warszawie na casting do musicalu Claude-Michela Schönberga Miss Saigon w reżyserii Wojciecha Kępczyńskiego i od 2000 roku znalazł się w obsadzie, w której zagrał trzy role Thuy, Schultza i żandarma. W 2000 roku został laureatem nagrody Festiwalu Artystycznego Młodzieży Akademickiej (FAMA). W Teatrze Muzycznym "Roma" wystąpił w musicalach: Grease (2002) jako Richie, Koty Andrew Lloyda Webbera (2004) jako Wiktor, Taniec Wampirów Jima Steinmana (2005), Akademia pana Kleksa (2007) Andrzeja Korzyńskiego w roli Alojzego Bąbla i Filipa Golarza.
Wspierał wokalnie takich wykonawców jak Maryla Rodowicz czy Ryszard Rynkowski. W 2003 roku w drugiej edycji programu telewizji Polsat Idol zakwalifikował się do grupy "ostatniej szansy". Śpiewał w programach telewizyjnych, m.in. Polsat Show Time. Jako frontman i wokalista zespołu Offside, nagrał płytę "Moja obsesja" (2004), promowaną przez dwa utwory – "Moja obsesja" i "Wiatr od słońca", a pochodząca z tego krążka piosenka "Dreaming About You" została zakwalifikowana do Krajowych Eliminacji Konkursu Piosenki Eurowizji 2004, ostatecznie zajmując w konkursie dwunaste miejsce.
24 września 2007 roku ukazał się jego solowy album "Myśli warte słów", a promujące album single "Nieprawda" oraz "Życie na czekanie" stały się hitami i doskonale radziły sobie na listach przebojów. Z wylansowanym przebojem "Nieprawda" wziął udział w finale konkursu 44. Sopot Festival 2007 i walczył o nagrodę Bursztynowego Słowika. Popularność przyniósł mu udział w VII edycji programu TVN Tańca z gwiazdami (od 2 marca do 13 kwietnia 2008), gdzie jego partnerką była Anna Głogowska. Piosenka "Nie kłam, że kochasz mnie" nagrana w duecie z Eweliną Flintą promująca komedię romantyczną Piotra Wereśniaka Nie kłam, kochanie (2008) zyskała status przeboju i została nagrodzona na XLV Krajowym Festiwalu Piosenki Polskiej w Opolu oraz zdobyła nagrodę publiczności i trzecie miejsce decyzją jury na 42. Bałtyckim Festiwalu Piosenki – Karlshamn 2008 (3 sierpnia).
Łukasz Zagrobelny zdobył nominacje do nagrody Fryderyka 2008 w kategorii Nowa Twarz Fonografii, oraz dwie nominacje do Eska Music Awards w kategorii Artysta Roku Polska i Hit Roku Polska, a w dniu 25 kwietnia 2008 roku na gali EMA otrzymał nagrodę, w kategorii Artysta Roku. Od 2 marca do 13 kwietnia 2008 występował w VII edycji Tańca z gwiazdami. Jego partnerką była Anna Głogowska. Odpadł w siódmym odcinku, zajmując ósme miejsce.
24 października odbyła się premiera filmu High School Musical 3, który promowała piosenka "Ty i Ja" nagrana przez Zagrobelnego w duecie z Hanną Stach. Tego samego dnia na rynku ukazała się ścieżka dźwiękowa z filmu zawierający utwór "Ty i Ja". Wokalista użyczył również głosu głównemu bohaterowi HSM Troyowi, granemu przez Zaca Efrona. W 2008 roku piosenka Łukasza Zagrobelnego "Wolny wybór" pochodząca z płyty Myśli warte słów została wykorzystana w spocie telewizyjnym Lokaty Twój Wybór - nowego depozytu, zaoferowanego przez Bank Millennium.
Premiera drugiego solowego albumu piosenkarza Między dźwiękami odbyła się 24 kwietnia 2009. Album promował singel "Jeszcze o nas" z muzyką Piotra Siejki i tekstem Karoliny Kozak i Łukasza Zagrobelnego. Kolejnym singlem wybrany został "Mówisz i masz". Trzeci singel "Przyjdzie czas" trafił do stacji radiowych 30 listopada.
