Er war der ältere der zwei Söhne von Graf Giovanni Vannicelli und Gräfin Maria Casoni. Der Familie seiner Mutter entstammten vor ihm zwei Kardinäle, Lorenzo Casoni und Filippo Casoni. Luigi Vannicelli Casoni erhielt seine erste Bildung am Seminar von Terni und ging dann nach Rom, um dort Philosophie und Theologie zu studieren. Er begleitete Kardinal Francesco Serlupi beim Konklave 1823 als Konklavist. Im Jahr 1824 trat er in den Dienst der Kurie und empfing am 18. Dezember 1829 die Priesterweihe. Danach war er Relator der Kongregation der Güterverwaltung und Referendar an den Gerichtshöfen der Apostolischen Signatur. Im Jahr 1834 begegnet er als Konsultor der Kongregation für die Bischöfe und Regularen. Am 8. Februar 1838 wurde er Apostolischer Protonotar. Nach verschiedenen Positionen als Legat war er ab dem 13. September 1838 Gouverneur von Rom, Pro-Camerlengo der Heiligen Römischen Kirche und Generaldirektor der Polizei, diese Position hatte er bis zu seiner Erhebung in den Kardinalsstand inne.