Lucescu 2004 yılı Mayıs ayında Shakhtar Donetsk'in başına geçti. Kulüpteki ilk kupası olan 2003-04 Kubok Ukraniy'i 30 Mayıs tarihinde Dnipro Dnipropetrovsk kulübünü 2-0 yenerek aldılar. Kulübündeki ilk tam sezonunda 2004-05 Premier League şampiyonu oldu. Sonraki sezon tekrar Premier League şampiyonu olan Şahtar, Süper Kupası'nı da müzelerine götürdüler. 2006-07 sezonunda FK Dinamo Kyiv'in ardından ikinci olan Lucescu'lu Şahtar 2007-08 sezonunda hem lig, hem de kupa şampiyonu oldu. 2008-09 sezonundaki tek yerel kupası Süper Kupa olan Şahtar yeni adıyla UEFA Avrupa Ligi olan UEFA Kupası'nı kazanarak Avrupa'daki ilk kupasını aldı. 2009 UEFA Kupası Finali'nde Werder Bremen'i uzaltmalarda 2-1 mağlup etti. 2009-10 sezonunda Şahtar tekrar lig şampiyonu oldu. 2010-11 sezonu Lucescu'nun en başarılı sezonu oldu. O sezon Şahtar Premier Lig, Kubok Ukraniy ve Süper Kupası'nı da müzesine götürdü. Ayrıca Şampiyonlar Ligi'nde grubunu birinci bitirerek bir üst tura çıktı. Orada Roma'yı ilk maçta 3-2, sonraki maçta 3-0 yenerek çeyrek finale çıkma başarısı gösterdi. Çeyrek finaldeki rakibi Barcelona'ya elendi. Sonraki sezon Premier Lig ve Kubok Ukraniy'i tekrar kazanan Lucescu yönetimindeki Şahtar, altı kez Premier Lig ve dört kez Kubok Ukraniy'i almış oldu. Şahtar o sezon Şampiyonlar Ligi G grubunda yer aldı, ancak APOEL, Zenit ve Porto'nun da yer aldığı o grubu dördüncü bitirerek Avrupa'ya veda etti. Aynı sezonda oğlu Răzvan Lucescu kalecilik yaptığı ve 2004-2007 yılları arasında çalıştırdığı Rapid București takımının başına tekrar geçti. Kasım 2005 tarihinde UEFA Kupası grubunda Şahtar ve Rapid aynı grupta yer almıştı. Böylece baba oğul rakip olarak karşı karşıya gelmişti.