マルティッチは5歳でテニスを始め、2003年にプロに転向。4大大会では2009年全仏オープンで予選を勝ち上がり初出場し初戦を突破した。2012年パリ大会のダブルスでアンナ＝レナ・グローネフェルトと組み初めてのツアー決勝に進出し準優勝した。3月のクアラルンプール大会では初めてシングルスの決勝に進出したが謝淑薇との決勝を途中棄権した。4大大会では2012年全仏オープンの2回戦で第8シードのマリオン・バルトリを 6–2, 3–6, 6–3 、3回戦で第28シードのアナベル・メディナ・ガリゲスを 6–2, 6–1 で破り4回戦に進出した。4回戦では第10シードのアンゲリク・ケルバーに 3–6, 5–7 で敗れた。2013年以降は故障により成績が低迷していたが、2017年全仏オープンと2017年ウィンブルドン選手権で予選から勝ち上がり4回戦に進出した。2019年4月のイスタンブール大会の決勝でマルケタ・ボンドロウソバを 1–6, 6–4, 6–1 で優勝し初のWTAタイトルを獲得した。全仏オープンでは第31シードから3回戦で第2シードのカロリナ・プリスコバを 6–3, 6–4 、4回戦でカイア・カネピを 5–7, 6–2, 6–4 で破り4大大会で初のベスト8に進出した。準々決勝ではマルケタ・ボンドロウソバに 6–7, 5–7 で敗れた。ウィンブルドンも4回戦に進出し、大会後の2019年7月15日付のランキングで自己最高の20位となりトップ20入りを果たした。
2012年8月27日にレアル・マドリードへの移籍を発表した。契約は5年間で、移籍金は推定4200万ユーロ。モドリッチ移籍と同じタイミングでトッテナムとレアル・マドリードが提携契約を締結、レアル・マドリードのフロレンティーノ・ペレス会長は「我々両クラブの強固で親密な関係が、長期的なパートナーシップの締結とルカ・モドリッチの移籍につながった。ルカを歓迎し、今後トッテナムと密接に協力していくことを楽しみにしている」と語り、トッテナムのダニエル・レヴィ会長は「ルカは我々にとって素晴らしい選手だった。彼を手放すのは本望ではないが、移籍先がマドリーであることに満足している。また、マドリーと長期的かつ生産的なパートナーシップを共有することを楽しみにしている」と語った。8月29日、FCバルセロナとのスーペルコパ・デ・エスパーニャ第2戦で途中出場し、レアル・マドリードデビューした。試合は2-1でレアル・マドリードが勝利し、移籍後およそ36時間後にスペインでの初タイトルを手にした。しかし、移籍初年度はマルカ読者によりシーズン最悪の補強に選ばれるなど、厳しい批判に晒される不本意なシーズンとなった。2013年にカルロ・アンチェロッティが監督に就任すると先発の地位を確立、翌シーズンにはリーグ最優秀ミッドフィールダーに選ばれるなど重要な選手の1人となった。レアル・マドリードでの100試合目となるUEFAチャンピオンズリーグのバイエルン・ミュンヘン戦ではアシストを記録して4-0での大勝に貢献し、決勝においてもコーナーキックからセルヒオ・ラモスの同点ゴールをアシストした。チャンピオンズリーグの優勝を祝ってトレードマークでもあった長髪を切り、エスタディオ・サンティアゴ・ベルナベウでのセレモニーでは短髪で姿を表した。2014年夏の移籍市場では中盤で共にプレーをしていたアンヘル・ディ・マリアとシャビ・アロンソが揃って移籍し、入れ替わるようにトニ・クロースが加入。アンチェロッティは10番タイプであるモドリッチとクロースを中盤の底で併用した。前シーズンにチャンピオンズリーグ優勝の立役者の一人となったモドリッチだが、11月に行われたEURO予選のイタリア戦で大腿部を負傷したことによってFIFAクラブワールドカップに参加することは出来なかった。2015年3月10日、チャンピオンズリーグのシャルケ04戦で戦線復帰。チャンピオンズリーグ準々決勝となったアトレティコ・マドリード戦前、アトレティコのディエゴ・シメオネ監督は「モドリッチの復帰によりチームの中盤はアグレッシブかつダイナミックになる。彼はレアル・マドリードの物凄いポテンシャルを一段と高めることができる」と影響力の高さに言及した。しかし、4月18日のマラガCF戦で靭帯を損傷したことにより再び長期離脱を強いられた。チャンピオンズリーグ決勝に向けての復帰を目指していたが、チームはベスト4で敗退しシーズン中の復帰は叶わなかった。2015-16シーズンは2年ぶりとなるチャンピオンズリーグ優勝を手にした。自身2度目となるリーグ最優秀MFに選ばれたほか、FIFProからは2015年のベストイレブンに選出された。2016年10月18日、レアル・マドリードとの契約を2020年まで契約を延長したことが発表された。FIFAクラブワールドカップでも2試合連続で先発出場し、大会シルバーボールに選ばれた。2016年には2年連続となるFIFProベストイレブンに選ばれたほか、UEFAチーム・オブ・ザ・イヤーにも初選出された。2016-17シーズンはプリメーラ・ディビシオン制覇、前年に続きチャンピオンズリーグ連覇に貢献した。その活躍により、チャンピオンズリーグの大会最優秀MFに選ばれた。2017年7月、ハメス・ロドリゲスの後を継ぎ、ルイス・フィーゴ以降着用した選手が期待外れもしくは不本意な形で退団していることから呪われた番号とも呼ばれている10番を着用することが決定。モドリッチは19番へ愛着を持ちながらも「10番が空くことが分かった時、このチャンスを逃す訳にはいかないと思った。なぜなら、自分が最も好きな番号だからだ」と語った。8月13日に行われたスーペルコパ第1戦は、3年前の同大会でレッドカードを受けたことから出場することができなかった。シーズン途中に発表されたザ・ベスト・FIFAフットボールアウォーズでは6位、バロンドールでは5位に入り、それぞれ自己最高位且つミッドフィールダー最高位となった。同シーズンのUEFAチャンピオンズリーグにおいても優勝、チームメイトのクリスティアーノ・ロナウド、クロース、ラモス、マルセロらとともに3年連続で優秀選手に選ばれるなどレアル・マドリードのUEFAチャンピオンズリーグ3連覇に貢献した。モドリッチはスペインの税務局から、ルクセンブルクに妻ヴァンニャ名義で設立したペーパーカンパニーを通じて、2013年から2014年にかけて合計87万728ユーロを脱税したと告発されていた。モドリッチは禁錮8カ月の罪を認めて、脱税額の40％となる34万8291ユーロの罰金を支払うことで検察当局と合意した。また、ほかの選手と同様に禁固1日につき250ユーロ、合計6万ユーロを支払うことで収監を免れた。UEFAチャンピオンズリーグ3連覇やFIFAワールドカップ準優勝が評価され、同年のUEFA欧州最優秀選手賞、FIFA最優秀選手賞を受賞したほか、長年ロナウドとリオネル・メッシの独占状態にあったバロンドールにおいても、2007年のカカ以来11年ぶりとなる2選手以外の受賞者となった。その他、クロアチアのスポーツ記者によるクロアチア年間最優秀アスリートや、ブルガリア通信社が主催するバルカン半島年間最優秀スポーツ選手にも選ばれた。2019年3月6日史上初の4連覇を目指して臨んだUEFAチャンピオンズリーグでは一回戦でのアヤックス戦で敗退し、ベスト16に終わる。 2018-19シーズンの獲得タイトルはFIFAクラブワールドカップのみに終わり、モドリッチ自身も不調に陥った。