Aunque sus personajes siempre ocuparon un papel secundario, el actor destacó en películas como Relatos Salvajes, protagonizada por Ricardo Darín, convirtiendolo en uno de sus más reconocidos trabajos. Pero la fama le llegó de la mano de la televisión, donde se hizo un hueco en las series "El mundo" de Antonio Gasalla y "Son de diez", como apunta el diario Clarín.
En cine, destacan sus trabajos como actor de reparto en Eva Perón, Testosterona, Esa maldita costilla y Aniceto. También fue muy popular en el teatro, donde estrenó obras como Los hijos de Noé, Trátala con cariño, Despedida en el lugar y Rápido Nocturno, aire de foxtrot.
Además, Luis Mazzeo participó en otras ficciones para la televisión como Padre Coraje, Verano del 98, Como pan caliente, La banda de Golden Rocket y Los Roldán.