Fue el único varón hijo de un panadero que también era músico aficionado y que cantaba en un coro local. Luciano cursó sus estudios en
En 1961 ganó el concurso Internacional de opera y ese año debutó en
Pese a nacer en Modena y realizar todos sus estudios musicales en Italia, su debut operístico se produjo en Dublín, encarnando al duque de Mantua de Rigoletto, donde llamó la atención del director australiano Richard Bonynge y de su mujer, la soprano Joan Sutherland, quienes le contrataron para una larga gira que supuso el despegue internacional del tenor. Conocido como el "rey del do agudo", Pavarotti poseía una voz amplia, técnicamente muy segura y sin duda la más bella aparecida en Italia en las últimas décadas. Su glamoroso debut norteamericano -en el Metropolitan en 1968- acabó de consagrarlo por la proeza de cantar nueve do agudos en un aria de La fille du régiment, lo que le valió una portada de la revista Time. Su actuación escénica era también muy buena, sobre todo en los papeles cómicos, en los que resultaba especialmente convincente. A medida que fue madurando, amplió su repertorio; y agregó a los papeles para tenor lírico otros más dramáticos, como el Radamés de Aida o el príncipe Calaf de Turandot. Las impresionantes ventas de su discografía lo convirtieron en el tenor más popular de la segunda mitad de este siglo y se volvió el tenor mas conocido desde Caruso.
En su acercamiento a la música popular, Pavarotti grabó duetos con Sting, Sepultura, Andrea Bocelli, Celine Dion, Liza Minnelli, Elton John, Tracy Chapman, Michael Jackson, Barry White, e inéditamente, con el brasileño Caetano Veloso, la argentina Mercedes Sosa y el grupo de rock irlandés U2. El dueto con Sarah Brightman nunca se pudo concretar, aunque siempre fue deseado por los dos artistas.
Quizás sus conciertos benéficos más multitudinarios fueron los realizados en 1998, a favor de Liberia o "2003", ambos celebrados en Módena, Italia, dónde participaron artistas de la talla de Bryan Adams, Bon Jovi, Queen, U2, Deep Purple, Stevie Wonder, Eros Ramazzotti, The Corrs, Spice Girls, Zucchero, Andrea Bocelli, Céline Dion, Natalie Cole o Vanessa Williams entre otros artistas de pop y rock de talla mundial. Con él colaboraron las más relevantes figuras del panorama musical de la época, lo que demuestra el alto grado de popularidad que alcanzó. Por primera vez un tenor de ópera era conocido como estrella por el gran público.
Pavarotti fue muy solicitado en teatros de todo el mundo hasta su retiro en la Ópera Metropolitana de Nueva York, el 13 de marzo del 2004, donde interpretó el papel del pintor Mario Cavaradossi en la ópera Tosca, de Giacomo Puccini, al lado de Carol Vaness.
En mayo de 2004, en vísperas de su cumpleaños número 70, el tenor anunció El tour del adiós compuesto por 40 conciertos en todo el mundo, para despedirse de los fieles seguidores de su canto. Pese a este retiro, en febrero de 2006 interpretó el aria Nessun dorma, del Turandot, de Giacomo Puccini, como cierre a la ceremonia de inauguración de los Juegos Olímpicos de Invierno de 2006 en el Estadio Olímpico de Turín.
En su vida personal, Luciano Pavarotti fue un gran aficionado al fútbol, la pintura y los caballos. Unió su destino, durante 34 años, con Adua Verona, con quien tuvo tres niñas, Lorenza, Cristina y Giuliana, pero el 13 de diciembre de 2003 se casó en segundas nupcias con su asistente, Nicoletta Mantovani, 30 años menor que él y con ella tuvo a su cuarta hija, Alice.
El tour del adiós fue suspendido debido a una intervención en la espalda a principios de 2006 y cuando se preparaba para partir de Nueva York a reanudar su gira mundial de despedida se le descubrió un tumor maligno en el páncreas. Fue operado en un hospital de Nueva York el 7 de julio de 2006 y todos sus conciertos fueron cancelados debido a su muy delicado estado de salud, causado por una neumonía posterior a la operación. El 8 de agosto de 2007 fue hospitalizado víctima de un estado febril y de complicaciones respiratorias. Abandonó la clínica el día 25 de agosto para continuar la convalecencia en su hogar.
El 6 de septiembre de 2007, falleció en su hogar a causa de cáncer de páncreas. La ceremonia fúnebre se llevó a cabo en su ciudad natal estando presentes en ella junto al primer ministro italiano Romano Prodi, el ministro de Cultura Francesco Rutelli, el director de cine italiano Franco Zeffirelli y el ex secretario general de las Naciones Unidas Kofi Annan. También asistió a la ceremonia el vocalista de U2, Bono, al igual que los cantantes Zucchero Fornaciari y Laura Pausini. La Fuerza Aérea italiana realizó una exhibición de despedida y millares de personas, muchos de ellos jóvenes, se acercaron a la capilla ardiente para dar su último adiós.
El tenor fue sepultado en el cementerio Montale Rangote cerca de su villa, en las afueras de la ciudad, donde están enterrados sus padres y su hijo Ricardo, quien murió poco antes del parto en 2003.
Luciano dijo alguna vez que tenía la intención de dar clases a cantantes jóvenes luego de su retiro, y que le gustaría ser recordado como un cantante muy profesional.