Luyten tok i en alder av 22 år en doktorgrad ved Universitetet i Leiden under ledelse av Ejnar Hertzsprung. I 1921 dro han til USA hvor han først arbeidet ved Lick Observatory. Fra 1923–1930 arbeidet han ved Harvard College Observatory. Årene 1928–1930 tilbrakte han i Bloemfontein i Sør-Afrika hvor han møtte sin kone, Willemina H. Miedema, som han giftet seg med 5. februar 1930. Etter at han returnerte til USA i 1931 underviste han ved University of Minnesota fra 1931–1967. Etter det arbeidet han som astronom emeritus frem til sin død.