Edukację muzyczną rozpoczął w Szkole Muzycznej II stopnia w Tarnowie w klasie dr Alicji Płonki. Naukę kontynuował na Wydziale Wokalno-Aktorskim Akademii Muzycznej im. Karola Szymanowskiego w Katowicach w klasie śpiewu solowego dr hab. Macieja Bartczaka, gdzie w 2008 roku otrzymał dyplom z wyróżnieniem.
Jeszcze jako student angażowany był w wiele przedsięwzięć muzycznych, m. in: wziął udział w dwóch koprodukcjach Supierz Music Management wykonując partię Artuta i Normanaw Łucji z Lammermoor z Operą Śląską oraz partię Remendada w Carmen z Operą Kijowską w teatrach operowych Holandii i Belgii.
Od 2009 roku współpracuje z Operą Wrocławską, gdzie wykonuje partie m. in.: Rudolfa (Cyganeria), Księcia Mantui (Rigoletto), Nemorina (Napój Miłosny), Ferranda (Cosi Fan Tutte), Tamina (Czarodziejski Flet), Hrabiego Almavivy (Cyrulik Sewilski), Don Ottavia (Don Giovanni), Fentona (Falsaff), Casia (Otello), Beppa (Pajace), Kniazia Szujskiego (Borys Godunow).
Współpracuje również z Teatrem Wielkim w Poznaniu, Teatrem Wielkim w Łodzi, Gliwickim Teatrem Muzycznym.
Łukasz Gaj jest laureatem nagrody specjalnej na Międzynarodowym Konkursie Śpiewaczym im. Imricha Godina w Vrable (Słowacja), trzeciej nagrody na Międzyuczelnianym Konkursie ,,W kręgu słowiańskiej muzyki wokalnej'' w Katowicach oraz finalistą konkursu Polskiej Pieśni Artystycznej w Warszawie.
Brał udział w licznych festiwalach muzycznych, m. in.: w Europejskim Festiwalu im. Jana Kiepury w Krynicy-Zdroju, Warszawie, Krakowie, Toruniu, Rzeszowie, Chrzanowie, Wieliczce, XX Śląskim Festiwalu im. Lugwiga van Beethovena, XIII Festiwalu Ave Maria, X Jubileuszowym Festiwalu Muzyki Organowej i Kameralnej im. Moritza Borsiga, IX Festiwalu Muzyki Zabytkowych Parków i Ogrodów im. Carla Marii von Webera – W hołdzie Richthofenowi, VII Festiwalu Bel Canto w Nałęczowie, gdzie otrzymał nagrodę Złotego Słowika.