Luca Pietromarchi war maßgeblich am Zustandekommen des Waffenstillstands von Cassibile beteiligt, der am 3. September 1943 in Kraft trat. Worauf am 8. September 1943 die Operation Fall Achse und am 23. September 1943 das Unternehmen Eiche durchgeführt wurden. Von Oktober 1943 bis März 1944 hielt Pietromarchi sich in der italienischen Sozialrepublik bei seiner Schwester Eleonora Attolico, der Frau von Bernardo Attolico, versteckt. Ab 1947 war Pietromarchi Korrespondent des L’Osservatore Romano in Brasilien. 1947 hob die Regierung von Alcide De Gasperi ein Urteil des Alto Commissariato per l'Epurazione gegen ihn auf und Pietromarchi wurde wieder vom Ministerio degli Affari Esteri beschäftigt. Von 1950 bis 1958 war er Botschafter in Ankara. Von 25. Juli 1958 bis 5. Mai 1961 war er Botschafter in Moskau.