Pada 1964, Luciano Maiani menerima ijazah fizik dan menjadi rakan penyelidik di Istituto Superiore di Sanità di Itali.[3] Pada tahun yang sama dia bekerjasama dengan kumpulan fizik teori Raoul Gatto di University of Florence.[3] Dia merentasi Atlantik pada 1969 untuk menjalani fellowship pascakedoktoran di Makmal Fizik Lyman di Universiti Harvard.[3] Pada 1976, Maiani menjadi profesor fizik teori di University of Rome,[3] namun dia banyak bergerak dalam tempoh ini, kerana memegang jawatan profesor di Ecole Normale Supérieure of Paris (1977)[3] dan di CERN (1979–1980 dan 1985–1986).[3] Maiani juga tertarik dengan hala tuju penyelidikan fizik zarah yang dimulakan di Jawatankuasa Dasar Saintifik CERN dari 1984 hingga 1991.[3] Kemudian, pada 1993, dia menjadi presiden Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) di Itali.[3] Dari 1993 hingga 1996, Maiani berkhidmat sebagai wakil sains dalam majlis CERN dan kemudian sebagai presiden majlis tersebut pada 1997.[3] Selepas itu, dia menjadi ketua pengarah CERN dari Januari 1999[4] hingga Disember 2003.[5] Dari 1995 hingga 1997, Maiani mempengerusikan Komite Tecnico Scientifico, Fondo Ricerca Applicata Itali. Pada hujung 2007, dia dicalonkan sebagai presiden Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), namun pencalonannya ditangguhkan sementara kerana dia menandatangani sepucuk surat yang mengkritik rektor Universiti 'La Sapienza' di Rom, yang menjemput Paus Benedict XVI untuk memberikan sebuah lectio magistralis pada 2008.[6] Bagaimanapun, dia menjadi Presiden CNR dari 2008 hingga 2011.[7]

Luciano Maiani mempunyai lebih 250 makalah sains berkenaan teori zarah keunsuran yang kebanyakannya dikarang bersama beberapa saintis lain. Pada 1970, dia menghasilkan makalah, bersama Glashow dan Iliopoulos, yang meramalkan kuark pesona yang kemudian ditemui di SLAC dan Brookhaven pada 1974. Atas penemuan ini, para penemunya, Richter dan Ting, dianugerahkan Hadiah Nobel Fizik pada 1976.[8] Pada 1974, dia bersama Guido Altarelli menjelaskan bahawa peneguhan oktet cerapan dalam pereputan lemah bukan lepton adalah disebabkan oleh kesan pertukaran gluon utama dalam kromodinamik kuantum. Mereka kemudian memperluaskan kesan ini untuk menggambarkan pereputan lemah bukan lepton bagi kuark pesona dan bawah serta menghasilkan gambaran model parton bagi pereputan lemah perisa berat.[petikan diperlukan] Pada 1976, Maiani menganalisis pelanggaran CP dalam teori enam-kuark dan meramalkan momen dwikutub elektrik neutron yang sangat kecil. Pada 1980-an, dia mula menggunakan simulasi berangka QCD kekisi, lantas membuat ramalan pertama pemalar reputan bagi meson pesona pseudoskalar dan meson B. Sebagai pendukungsupersimetri, Maiani pernah menyatakan bahawa pencarian supersimetri adalah "tujuan utama fizik zarah moden".[9] Minatnya tidak terbatas pada fizik teori sahaja, dengan penglibatan dalam ALPI, EUROBALL, DAFNE, VIRGO dan LHC.[petikan diperlukan] Setakat September 2020, dia ialah ahli Institut Aspen Itali.[10]