Studente del Politecnico di Torino, entra nell'organizzazione giovanile del PSI e partecipa attivamente dedicandosi alla pubblicistica politica su posizioni marxiste. Frequenta la sede di Ordine nuovo e conosce Antonio Gramsci e Palmiro Togliatti. Nel 1921 è uno dei fautori della scissione dal PSI al congresso di Livorno e passa nelle file del Partito Comunista d'Italia, poi PCI, insieme, tra gli altri, a Gramsci, Togliatti, Terracini. Fervente antifascista, con l'inizio della dittatura fascista emigra in Francia e diventa uno dei massimi dirigenti del PCI. Nel 1922 è membro di una delegazione che si reca a Mosca per il congresso dell'Internazionale, dove incontra Lenin. Nel 1923 è arrestato nell'ambito della "battuta anticomunista" che porta in carcere molti quadri del partito.Dal 1926, è responsabile del Centro estero della FGCI e, in questa veste, trascorre vari mesi a Mosca come membro dell'Esecutivo dell'Internazionale giovanile comunista, partecipando al congresso di Lione; a Mosca ci va portando con sé il figlioletto di tre anni, che ha avuto da Teresa Noce, sua compagna da qualche anno; qui incontra Stalin e tutti i vertici del Cremlino. Sul piano internazionale, si schiera a favore della linea del socialismo in un solo paese , mentre sul piano interno chiede di abbandonare la parola d'ordine della assemblea repubblicana, per sostituirla con quella del governo operaio e contadino. Nel 1933 è membro della commissione politica del Komintern e nel 1934 firma il patto di unità d'azione tra PCI e PSI. Partecipa alla guerra civile spagnola nelle Brigate internazionali, con il nome di battaglia Gallo. Nel febbraio 1939 si allontana dalla Spagna con gli ultimi volontari. Dopo la sconfitta della Repubblica spagnola ad opera del generale Francisco Franco ritorna in Francia. Con lo scoppio della Seconda guerra mondiale e la costituzione del governo collaborazionista di Vichy, guidato dal maresciallo Philippe Pétain, viene arrestato ed internato dai nazisti in un campo di concentramento a Vernet dal 1939 al 1941. Nel 1941 viene consegnato alle autorità fasciste italiane ed è confinato a Ventotene. Dopo il 25 luglio 1943 viene liberato e, successivamente all'armistizio annunciato l'8 settembre 1943, entra a far parte del Comando generale delle Brigate Garibaldi, le formazioni partigiane di orientamento comunista, con Pietro Secchia, Gian Carlo Pajetta, Giorgio Amendola.Nell'aprile del 1945 è tra i protagonisti dell'insurrezione dell'Italia settentrionale: secondo il partigiano Urbano Lazzaro detto Bill sarebbe stato proprio Luigi Longo, celandosi sotto la falsa identità di Valerio (Walter Audisio), a dare il colpo di grazia a Benito Mussolini dopo la sua fucilazione, ma su quell'episodio, mai chiarito del tutto, esistono versioni contrastanti. Dopo la guerra fa parte della Consulta nazionale e nel 1946 dell'Assemblea Costituente; viene poi eletto alla Camera dei deputati nelle liste del PCI .Tra le diverse iniziative messe in campo, fu ideatore e direttore della rivista "Vie Nuove", strumento che voleva conciliare mezzi di comunicazione di massa, necessità di svago e cultura popolare con le finalità dell'approfondimento politico. Nel 1964, in seguito alla morte di Palmiro Togliatti, diventa segretario del PCI, dichiarando di essere "un segretario e non un capo". Tra i suoi primi atti in qualità di segretario, fa pubblicare il "Memoriale di Yalta", uno scritto considerato il testamento politico di Togliatti, altrimenti destinato a rimanere riservato. In questa veste, egli prosegue la linea togliattiana nota come "via italiana al socialismo. Sempre in ambito internazionale si espresse per il superamento della logica dei blocchi contrapposti e per una politica di sicurezza collettiva europea. Favorì la politica di Ostpolitik di Brandt vedendovi una politica di sicurezza, di coesistenza pacifica e di possibile avanzata per i partiti comunisti dell'Europa capitalistica. Sotto la sua segreteria il PCI mutò anche le sue opinioni nel campo dell'integrazione europea, considerata ora un'occasione per le forze di sinistra e socialiste europee per sviluppare linee strategiche e politiche comuni e per costruire un'Europa dei popoli, democratica, non fondata sui grandi poteri economici. L'attenzione internazionalistica di Longo si concentrò anche sulla necessità di aiutare e favorire i movimenti antimperialisti e anticolonialisti del Terzo Mondo e di coordinare le forze politiche antimperialiste del Mediterraneo per la riaffermazione della sovranità delle nazioni da ingerenze esterne. Tentò di aprire un dialogo con il movimento del sessantotto, ma il suo tentativo trovò resistenze anche nelle file dello stesso PCI. Nel maggio incontrò comunque un gruppo di studenti romani del movimento, sostenendo la necessità di ancorare le lotte studentesche alle lotte operaie. Colpito da ictus alla fine del 1968, sarà affiancato da Enrico Berlinguer come vicesegretario già nel febbraio 1969 e nel 1972 ne sostiene la candidatura a suo successore alla guida del partito. Da quell'anno, fino alla morte, viene nominato presidente onorario del PCI. Nei confronti della politica della "Solidarietà nazionale" ha modo di esprimere obiezioni e contrarietà. Particolarmente sensibile alle necessità delle classi contadine e del mondo agrario (egli stesso proveniva da famiglia contadina), rimase famoso un suo intervento contro il dazio sul vino. Nella base del PCI aveva grandissima popolarità per lo stile modesto e fraterno con cui intratteneva rapporti anche con piccole sezioni e singoli militanti; questa popolarità ebbe peso rilevante per la sua elezione a segretario. Luigi Longo intendeva regalare alle donne per il giorno dell'8 marzo delle violette: la Teresa Mattei intervenne suggerendo un fiore più povero e diffuso nelle campagne, la mimosa.