Sachverhalt:
A. Die X._ Consulting AG (Beschwerdeführerin) bzw. deren Rechtsvorgängerin betreibt ein Bauingenieurbüro und war Mitglied eines Planungsteams der Architekten A._ und B._, das sich auf Einladung der Z._ Immobilien an einem Studienauftrag zur Entwicklung des Güterareals der Z._ in Luzern beteiligte. Das Planungsteam erhielt den Zuschlag. Die Z._ verkauften vor Realisierung des Projekts die Grundstücke an die Y._ AG Bauunternehmung (Beschwerdegegnerin) sowie an die Q._ Funds.
Im entsprechenden Kaufvertrag vom 27. August 2007 (Ziffer 4.8) vereinbarten die Z._ und die Beschwerdegegnerin, dass ergänzend zum Vertrag die Bestimmungen der Investorenausschreibung vom 27. November 2006 (insbesondere auch Ziffer 3.3, Generalplaner) unter Einschluss der entsprechenden Beilagen zur Anwendung gelangen. Zudem wurde darauf hingewiesen, dass die Investorenausschreibung den Parteien in allen Teilen bekannt ist. Gestützt auf Ziffer 3.3 der Investorenausschreibung vom 27. November 2006 verpflichtete sich die zukünftige Eigentümerin bzw. Käuferin, das im Rahmen des Studienauftrags evaluierte GP-Team A._ und B._, dipl. Architekten ETH/SIA, mit der Realisierung des vorliegenden Projekts zu beauftragen. Die Einhaltung dieser Pflicht wurde mit einer Konventionalstrafe von 1 Million Franken gesichert. Die Honorierung der Planerleistungen sollte mit dem Generalplaner ausgehandelt werden. Die Beschwerdegegnerin führte im Anschluss daran Vertragsverhandlungen mit dem Planungsteam.
In der Folge beschlossen die Beschwerdegegnerin und die Vertreter des Planungsteams, nicht mit dem Planungsteam als Ganzes einen Generalplanervertrag abzuschliessen, sondern dass die Beschwerdegegnerin mit jedem Mitglied des Planungsteams über einen separaten Fachplanervertrag verhandeln werde. Dies soll von den Mitgliedern des Planungsteams akzeptiert worden sein. Es kam zu keinem Vertragsabschluss mit der Beschwerdeführerin.
B. Mit Klage vom 13. März 2009 beantragte die Beschwerdeführerin dem Bezirksgericht Hochdorf, die Beschwerdegegnerin sei zu verpflichten, ihr Fr. 200'000.-- nebst Zins zu 5 % seit dem 20. November 2007 zu bezahlen, unter Vorbehalt des Nachklagerechts. Die Beschwerdegegnerin trug auf Abweisung der Klage an. Mit Urteil vom 22. Juni 2011 wies das Bezirksgericht die Klage ab.
Gegen dieses Urteil erhob die Beschwerdeführerin Berufung an das Obergericht des Kantons Luzern, das am 20. Februar 2012 die Klage ebenfalls abwies.
C. Die Beschwerdeführerin beantragt mit Beschwerde in Zivilsachen, das Urteil des Obergerichts vom 20. Februar 2012 aufzuheben und die Klage gutzuheissen. Eventualiter sei die Sache an die Vorinstanz zurückzuweisen.
Die Beschwerdegegnerin und die Vorinstanz beantragen, die Beschwerde abzuweisen, soweit darauf einzutreten sei.
Mit Präsidialverfügung vom 21. Mai 2012 wurde der Beschwerde die aufschiebende Wirkung erteilt.

Erwägungen:
1. Das angefochtene Urteil des Obergerichts ist ein verfahrensabschliessender Endentscheid (<ref-law>) einer letzten kantonalen Instanz (<ref-law>). Sodann übersteigt der Streitwert von Fr. 200'000.-- die Grenze nach <ref-law>. Da auch die übrigen Sachurteilsvoraussetzungen erfüllt sind, ist - unter Vorbehalt einer hinlänglichen Begründung (Art. 42 Abs. 2 und <ref-law>) - grundsätzlich auf die Beschwerde einzutreten.
2. 2.1 Mit Beschwerde in Zivilsachen können Rechtsverletzungen nach Art. 95 und 96 BGG gerügt werden. Die Beschwerde ist hinreichend zu begründen, andernfalls wird darauf nicht eingetreten. In der Beschwerdeschrift ist in gedrängter Form darzulegen, inwiefern der angefochtene Akt Recht verletzt (<ref-law>). Die Verletzung von Grundrechten und von kantonalem und interkantonalem Recht kann das Bundesgericht nur insofern prüfen, als eine solche Rüge in der Beschwerde präzise vorgebracht und begründet worden ist (<ref-law>; <ref-ruling> E. 1.3.1; <ref-ruling> E. 2.2; <ref-ruling> E. 3.2 S. 444).
2.2 Das Bundesgericht legt seinem Urteil den Sachverhalt zugrunde, den die Vorinstanz festgestellt hat (<ref-law>). Es kann die Sachverhaltsfeststellung der Vorinstanz nur berichtigen oder ergänzen, wenn sie offensichtlich unrichtig ist oder auf einer Rechtsverletzung im Sinne von <ref-law> beruht (<ref-law>). "Offensichtlich unrichtig" bedeutet dabei "willkürlich" (<ref-ruling> E. 1.5). Überdies muss die Behebung des Mangels für den Ausgang des Verfahrens entscheidend sein (<ref-law>).
Der Beschwerdeführer, der die Sachverhaltsfeststellungen der Vorinstanz anfechten will, muss klar und substantiiert aufzeigen, inwiefern die gerügten Feststellungen bzw. die Unterlassung von Feststellungen offensichtlich unrichtig sind oder auf einer Rechtsverletzung im Sinne von <ref-law> beruhen (vgl. <ref-ruling> E. 1.2; <ref-ruling> E. 1.4.3; <ref-ruling> E. 1.3, 393 E. 7.1, 462 E. 2.4). Soweit der Beschwerdeführer den Sachverhalt ergänzen will, hat er zudem mit Aktenhinweisen darzulegen, dass er entsprechende rechtsrelevante Tatsachen und taugliche Beweismittel bereits bei den Vorinstanzen prozesskonform eingebracht hat (Urteile 4A_214/2008 vom 9. Juli 2008 E. 1.2, nicht publ. in: <ref-ruling>; 4A_275/2011 vom 20. Oktober 2011 E. 2). Überdies ist in der Beschwerde darzutun, inwiefern die Behebung des gerügten Mangels für den Ausgang des Verfahrens entscheidend sein kann (<ref-law>; <ref-ruling> E. 2.2.2). Auf eine Kritik an den tatsächlichen Feststellungen der Vorinstanz, die diesen Anforderungen nicht genügt, ist nicht einzutreten (BGE <ref-ruling> E. 1.4.3).
3. Die Beschwerdeführerin bemängelt die Sachverhaltsfeststellung durch die Vorinstanz in genereller Hinsicht. Sie habe den Sachverhalt bloss rudimentär festgestellt und damit <ref-law> verletzt. Die Beschwerdeführerin sieht sich daher berechtigt, den Sachverhalt mit zahlreichen Elementen zu ergänzen, die sie im kantonalen Verfahren vorgetragen haben will, die aber von der Vorinstanz nicht festgestellt worden seien.
3.1 Nach <ref-law> müssen Entscheide, die der Beschwerde an das Bundesgericht unterliegen, die massgebenden Gründe tatsächlicher und rechtlicher Art enthalten. Aus dem Entscheid muss klar hervorgehen, von welchem festgestellten Sachverhalt die Vorinstanz ausgegangen ist und welche rechtlichen Überlegungen sie angestellt hat. Nur so kann das Bundesgericht die korrekte Rechtsanwendung im Einzelfall überprüfen (<ref-ruling> E. 8.2 mit Hinweisen; vgl. etwa Urteil 4A_267/2007 vom 24. Oktober 2007 E. 3). Die klare Feststellung des massgebenden Sachverhalts ist namentlich im Hinblick auf die grundsätzliche Bindung des Bundesgerichts an die Feststellungen der Vorinstanz und die stark eingeschränkte Sachverhaltskontrolle erforderlich (Art. 97 und 105 BGG). Einen Entscheid, der diesen Anforderungen nicht genügt, kann das Bundesgericht an die kantonale Behörde zur Verbesserung zurückweisen oder aufheben (<ref-law>). Hingegen ändert sich nichts an der bundesgerichtlichen Kognition hinsichtlich des Sachverhalts, weshalb es nicht angeht, den Sachverhalt frei entsprechend den eigenen Vorbringen im kantonalen Verfahren zu ergänzen. Ansonsten liefe es darauf hinaus, dass das Bundesgericht in die ihm nicht zustehende Rolle einer Appellationsinstanz gedrängt würde.
3.2 Das angefochtene Urteil enthält in der Tat auf Seite 2 unter Ziffer A eine nur knappe Darstellung des Sachverhalts. Jedoch finden sich in den Erwägungen Präzisierungen und weitere tatsächliche Feststellungen. Diese vermögen zu genügen, da - wie aus den nachstehenden Erwägungen hervorgeht - weite Teile der von der Beschwerdeführerin aufgeworfenen Fragen nicht entscheidrelevant sind. Eine Rückweisung im Sinne von <ref-law> fällt daher ausser Betracht.
4. Die Vorinstanz hielt fest, gestützt auf den Kaufvertrag vom 27. August 2007 in Verbindung mit der Investorenausschreibung habe sich die Beschwerdegegnerin vertraglich verpflichtet, das Planungsteam A._ und B._ mit der Realisierung des Projekts zu beauftragen. Dabei sei die Honorierung der Leistung gestützt auf die bereits existierenden Bemessungsgrundlagen mit dem Generalplaner auszuhandeln gewesen. Analog zur Architekten- oder Ingenieurklausel und gemäss Rechtsprechung liege demnach ein Vorvertrag zugunsten eines Dritten (hier des Planungsteams A._ und B._) vor.
Weiter nahm die Vorinstanz an, die Beschwerdegegnerin habe in der Folge mit dem Planungsteam A._ und B._ eine neue bzw. abgeänderte Vereinbarung getroffen mit dem Inhalt, dass anstelle der Verpflichtung zum Abschluss eines Generalplanervertrags mit dem Planungsteam die Verpflichtung zum Abschluss von (separaten) Fachplanerverträgen mit den einzelnen Mitgliedern getreten sei. Diese veränderte Verpflichtung sei den gleichen oder analogen Konditionen (Preisgestaltung und Schadenersatzpflicht bei Nichterfüllung) unterstellt gewesen wie die Verpflichtung zum Abschluss eines Generalplanervertrags. Unklar geblieben sei jedoch die Regelung der Konventionalstrafe im Falle des Nichtabschlusses eines Fachplanervertrags. Bei Nichtabschluss des Generalplanervertrags wäre eine Konventionalstrafe von 1 Million Franken geschuldet gewesen. Offenbar hätten die Vertreter des Planungsgteams A._ und B._ und die Beschwerdegegnerin bei der Änderung der vertraglichen Verpflichtungen nicht mehr über die Frage der Konventionalstrafe gesprochen.
Letztlich liess die Vorinstanz die - von der Beschwerdegegnerin nach wie vor verneinten - Fragen offen, ob eine vertragliche Verpflichtung zum Abschluss von Fachplanerverträgen bestanden habe und ob bei Nichterfüllung eine Konventionalstrafe zu leisten wäre.
Denn sie wies die Klage bereits aus der Erwägung ab, die Beschwerdeführerin habe nicht für das Planungsteam oder allein eine Offerte betreffend Ingenieurleistungen eingereicht, sondern im Namen eines von ihr vorgeschlagenen Ingenieurkonsortiums. Sie erwog, dass jedenfalls keine Verpflichtung der Beschwerdegegnerin bestanden habe, mit diesem Ingenieurkonsortium, das unter anderem eine Firma aus dem Tessin umfasste, einen Vertrag abzuschliessen. Ein Anspruch auf Abschluss eines Ingenieurvertrags hätte allein der Beschwerdeführerin (als seinerzeitiges Mitglied des Planungsteams A._ und B._), nicht aber einem Konsortium, bestehend aus drei Ingenieurbüros, zugestanden. Die Beschwerdegegnerin sei folglich berechtigt gewesen, den Abschluss eines Ingenieurvertrags mit dem Ingenieurkonsortium abzulehnen.
Zusätzlich erwog die Vorinstanz, selbst wenn eine solche auf den Vorvertrag gestützte Pflicht grundsätzlich anzunehmen wäre, bestünde kein Anspruch auf eine Konventionalstrafe. Denn für die Auflösung des Vertrags hatte das freie Widerrufsrecht nach <ref-law> gegolten. Dieses dürfe nicht durch die Abrede einer Konventionalstrafe behindert werden. Auch wäre nicht von einem Widerruf zur Unzeit auszugehen. Die Klage - so die Vorinstanz - wäre mithin selbst im Eventualfall, dass eine solche Pflicht anzunehmen wäre, abzuweisen.
Schliesslich verneinte die Vorinstanz auch einen Anspruch aus culpa in contrahendo.
5. 5.1 Die entscheidende Erwägung, auf welche die Vorinstanz die Klageabweisung im Hauptstandpunkt stützte, bildet diejenige, dass jedenfalls keine Verpflichtung der Beschwerdegegnerin bestand, mit dem von der Beschwerdeführerin vorgeschlagenen Ingenieurkonsortium einen Fachplanervertrag auszuhandeln und abzuschliessen. Sie begründete dies damit, dass der aus einem Vorvertrag resultierende Anspruch auf Abschluss des Hauptvertrags regelmässig nicht abtretbar sei, da im Vorvertrag die Persönlichkeit des Kontrahenten, der den Hauptvertrag abschliessen solle, von Bedeutung sei. Unter Hinweis auf eine entsprechende Lehrmeinung (KRAMER, Berner Kommentar, 1991, N. 107 zu <ref-law>; BECKER, Berner Kommentar, 2. Aufl. 1941, N. 11 zu <ref-law>) sowie auf <ref-ruling> E. 3 nahm sie an, eine Änderung der Person des Gegenkontrahenten bedeute hier eine Änderung des Leistungsinhalts.
5.2 Was die Beschwerdeführerin dagegen vorbringt, verfängt nicht:
Sie gibt selber an, dass die Offerte vom 31. August 2007 betreffend Erbringung von Bauingenieurleistungen namens einer Ingenieurgemeinschaft, bestehend aus der Beschwerdeführerin, der R._ AG und der S._ GmbH eingereicht worden sei. Sie stellt auch nicht in Abrede, dass - gemäss Beschwerdeführerin im Regelfall - der Kontrahent eines Vorvertrags zugunsten eines Dritten nicht verpflichtet ist, den Hauptvertrag mit einem anderen Dritten abzuschliessen als mit demjenigen, der bei Abschluss des Vorvertrags aus dieser Abrede begünstigt sei. Sie ist jedoch der Meinung, dass eine entsprechende Parteivereinbarung oder die konkreten Umstände des Einzelfalles zu einem gegenteiligen Ergebnis führen könnten. Sie greift einzelne Passagen aus der Klageantwort und aus dem Protokoll der Aussagen des Zeugen C._ heraus, aus denen sich angeblich ergeben soll, dass die Beschwerdegegnerin auf die Person ihres Vertragspartners solange keinen Wert gelegt habe, als das Honorar ihren Vorstellungen entsprochen habe. Die genannten Sachverhaltsumstände, die Rückschlüsse auf die Haltung der Beschwerdegegnerin zur Frage der Person ihres Vertragspartners zuliessen, habe die Vorinstanz nicht gewürdigt und damit eine unvollständige Sachverhaltsfeststellung vorgenommen.
Auf die Sachverhaltsrüge ist nicht einzutreten. Denn die Beschwerdeführerin legt nicht dar, dass und wo sie sich vor der Vorinstanz auf die zitierten Passagen in der Klageantwort und den Zeugenaussagen C._ betreffend Haltung der Beschwerdegegnerin zur Person ihres Vertragspartners berufen hätte. Sie begründet damit ihre Sachverhaltsrüge nicht hinlänglich (Erwägung 2.2). Eine unvollständige Sachverhaltsfeststellung durch die Vorinstanz kann nicht angenommen werden, und eine Sachverhaltsergänzung scheidet aus. Es besteht demnach in tatsächlicher Hinsicht keine Grundlage für die Annahme, der Beschwerdegegnerin sei die Person des Vertragskontrahenten unwichtig gewesen, solange das Honorar ihren Vorstellungen entsprach.
Die Berufung der Beschwerdeführerin auf <ref-ruling> geht fehl, da in jenem Fall - im Gegensatz zum vorliegenden - gerade eine Vereinbarung betreffend Abtretbarkeit der Rechte aus einem Vorvertrag vorlag.
Schliesslich hilft der Beschwerdeführerin auch das Argument nicht weiter, vorliegend könne nicht von einem "Dritten" gesprochen werden, weil es der einfachen Gesellschaft, als welche die Ingenieurgemeinschaft zu qualifizieren sei, an der Rechtsfähigkeit fehle. Dies ändert nichts daran, dass der Abschluss eines Ingenieurvertrags mit der Ingenieurgemeinschaft, bestehend aus den drei genannten Gesellschaftern, offeriert wurde, nicht aber mit der Beschwerdeführerin, der allein allenfalls ein Anspruch auf Abschluss eines Vertrags zugestanden hätte. Entgegen der Meinung der Beschwerdeführerin erkannte die Vorinstanz zu Recht, dass aus Ziffer 4.8 des Kaufvertrags keine (vor-)vertragliche Pflicht der Beschwerdegegnerin zum Abschluss eines Ingenieurvertrags mit einer irgendwie zusammengesetzten Ingenieurgemeinschaft oder irgendwelchen Dritten abgeleitet werden kann.
Unerheblich sind die Vorbringen, dass die Beauftragte berechtigt wäre, für die Vertragserfüllung Hilfspersonen im Sinne von <ref-law> beizuziehen oder dass die Beschwerdeführerin die Federführung innerhalb der Ingenieurgemeinschaft inne gehabt hätte. Der Vorinstanz ist beizupflichten, dass es beim Abschluss eines Architektur- oder Ingenieurvertrags regelmässig auf die Persönlichkeit des Kontrahenten ankommt, namentlich vorliegend, wo das Planungsteam, dem die Beschwerdeführerin angehörte, den vorvertraglichen Anspruch als Siegerin eines Projektwettbewerbs erworben hat. Der Schluss der Vorinstanz, dass der Anspruch auf Vertragsabschluss somit nur dem Planungsteam bzw. dessen Mitgliedern zustand, nicht aber weiteren Drittpersonen, ist ohne weiteres nachvollziehbar. Nach den verbindlichen Feststellungen der Vorinstanz hat die Beschwerdeführerin alleine keine Offerte betreffend Ingenieurleistungen eingereicht. Die Beschwerdegegnerin lehnte den Abschluss eines Ingenieurvertrags mit dem Ingenieurkonsortium ab. Dass sie dazu berechtigt war, erkannte die Vorinstanz zutreffend, da ein allfälliger Anspruch auf Verhandlung und Abschluss eines Fachplanervertrags einzig der Beschwerdeführerin allein zugestanden hätte.
5.3 Nach dem Gesagten war die Beschwerdegegnerin nicht verpflichtet, mit der offerierenden Ingenieurgemeinschaft einen Vertrag abzuschliessen. Mangels Bestand einer solchen Pflicht entfällt ohne weiteres deren Verletzung und ebenso der Verfall (eines Teils) der Konventionalstrafe. Die Abweisung der Klage vermag sich bereits auf diese Begründung zu stützen.
Da die vorinstanzliche Hauptbegründung der bundesgerichtlichen Überprüfung standhält, erübrigt es sich, zu den Einwänden der Beschwerdeführerin gegen die Eventualbegründung der Vorinstanz Stellung zu nehmen, dass die Konventionalstrafe mit Blick auf das freie Widerrufsrecht nach <ref-law> unzulässig gewesen und auch nicht von einem Widerruf zur Unzeit auszugehen wäre.
6. Die Beschwerdeführerin stützte ihre Klage alternativ auf einen Anspruch aus culpa in contrahendo. Sie argumentiert, die Beschwerdegegnerin habe ihre Pflicht zur ernsthaften Verhandlung eines Ingenieurvertrags auf der Basis der in Anhang A64/A65 der Investorenausschreibung enthaltenen Bemessungsgrundlagen verletzt und sich unberechtigterweise geweigert, den Vertrag mit der von der Beschwerdeführerin angeführten Ingenieurgemeinschaft abzuschliessen. Die Verletzung der vorvertraglichen Pflicht der Beschwerdegegnerin bzw. der Verstoss gegen Treu und Glauben sei darin zu sehen, dass die Beschwerdegegnerin die Offerte vom 31. August 2007 nie ernsthaft in Betracht gezogen habe. Die Konventionalstrafe gemäss Ziffer 4.8 des Kaufvertrags beziehe sich gerade auf die vorvertraglichen Verhandlungspflichten der Beschwerdegegnerin und sei daher entgegen der Ansicht der Vorinstanz (anteilsmässig) geschuldet.
Mit diesen Ausführungen zeigt die Beschwerdeführerin keine Bundesrechtsverletzung auf. Im Gegenteil ist den Erwägungen der Vorinstanz zuzustimmen. Diese stellte fest, die Beschwerdegegnerin habe - entsprechend der Abmachung mit den Architekten A._ und B._ - mit der Beschwerdeführerin Vertragsverhandlungen aufgenommen. Die Beschwerdeführerin habe eine Offerte eingereicht, aber nicht allein, sondern als Mitglied eines Konsortiums, bestehend aus drei Ingenieurbüros. Die Beschwerdegegnerin habe einen Abschluss mit einem Ingenieurbüro aus dem Kanton Tessin, das Mitglied des Konsortiums gewesen sei, indes abgelehnt. In der Folge habe sie der Beschwerdeführerin mitgeteilt, dass kein Vertrag zustande komme. Die Beschwerdegegnerin sei nicht verpflichtet gewesen, mit dem aus drei Ingenieurbüros bestehenden Konsortium einen Vertrag abzuschliessen. Sie habe deshalb die Vertragsverhandlungen abbrechen dürfen, ohne dass darin ein Verstoss gegen Treu und Glauben zu erkennen wäre.
Diese Beurteilung ist zutreffend. Nachdem sich ergeben hat, dass die Beschwerdegegnerin aus dem Vorvertrag keine Pflicht hatte, mit der Ingenieurgemeinschaft zu verhandeln und einen Vertrag abzuschliessen, war es nicht treuwidrig, wenn sie die namens der Ingenieurgemeinschaft eingereichte Offerte vom 31. August 2007 nicht berücksichtigte und einen Vertragsabschluss ablehnte. Die Vorinstanz wies daher die Klage auch zu Recht ab, soweit sie auf culpa in contrahendo gestützt wurde.
Bei diesem Ergebnis erübrigen sich Ausführungen zu den Vorbringen der Beschwerdeführerin gegen die Eventualbegründung der Vorinstanz, wonach die von der Beschwerdeführerin verlangte Konventionalstrafe ohnehin einzig Verletzungen gegen den betreffenden Vertrag sanktioniere und nicht die Verletzung von ausservertraglichen Pflichten.
7. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf eingetreten werden kann. Dem Ausgang des Verfahrens entsprechend wird die Beschwerdeführerin kosten- und entschädigungspflichtig (Art. 66 Abs. 1 und Art. 68 Abs. 2 BGG).

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen, soweit darauf einzutreten ist.
2. Die Gerichtskosten von Fr. 6'000.-- werden der Beschwerdeführerin auferlegt.
3. Die Beschwerdeführerin hat die Beschwerdegegnerin für das bundesgerichtliche Verfahren mit Fr. 7'000.-- zu entschädigen.
4. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Luzern, 1. Abteilung, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 20. Juli 2012
Im Namen der I. zivilrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Die Präsidentin: Klett
Der Gerichtsschreiber: Kölz