Родился и погиб в Кортоне, в связи с чем некие источники именуют его Лука из Кортоны. Ученик Пьеро делла Франческа, он испытал также воздействие Антонио Поллайоло в передаче анатомии человека и движения. Работал в почти всех городках Средней Италии, как в центрах Возрождения, при дворах Лоренцо Медичи во Флоренции и Федериго да Монтефельтро в Урбино, так и в провинциальных.
Синьорелли Воскрешение во плоти (1499—1502), Орвьето, Кафедральный соборВ 1481—1482 годах учавствовал в оформлении Сикстинской капеллы в Риме, написав вместе с Бартоломео делла Гатта фреску «Сцены из жизни Моисея». В Сикстинской капелле работал в одно время с Перуджино, воздействие которого историки искусства отмечают во фресках Сеньорелли, исполненных для сакристии святилища в Лорето, также в алтаре Святого Онуфрия для собора Перуджи (1484).
Нередко бывал во Флоренции, в 1490 году написал для Лоренцо Прекрасного известную картину «Воспитание Пана» (погибла в Берлине во время 2-ой мировой войны) и тондо «Мадонна с младенцем» (Уффици).
Самую большую известность Синьорелли принесли фрески в монастыре аббатства Монте Оливето Маджоре (Тоскана, 1496—1498) «История Святого Бенедикта» и «Конец мира» для капеллы Сан Брицио собора в Орвьето (1499—1502). Фрески капеллы Сан Брицио, один из самых впечатляющих циклов на тему Апокалипсиса, представляют собой переход к живописи XVI века. Полностью тут открылся талант Синьорелли — 1-го из сверкающих рисовальщиков Ренессанса. Согласно источникам, Микеланджело вдохновился конкретно этим произведением, создавая собственный «Ужасный трибунал».
В 1512 году был назначен послом Кортоны во Флоренции.
Последние годы жизни провёл в родном городке, где являлся главой мастерской.