Nel 1973 Montezemolo è entrato nella scuderia Ferrari, dove si è occupato principalmente di marketing e comunicazione. Nel 1977 è stato promosso a direttore sportivo della squadra, incarico che ha ricoperto fino al 1979. In quel periodo la Ferrari ha vinto il campionato mondiale di Formula 1 nel 1975 e 1977, con Niki Lauda e Jody Scheckter alla guida.
Dopo aver lasciato la Ferrari nel 1979, Montezemolo ha lavorato come presidente della compagnia di navigazione italiana CIN, e successivamente come vicepresidente del gruppo Fiat. Nel 1991 è tornato alla Ferrari come presidente, succedendo a Piero Ferrari, il figlio del fondatore Enzo Ferrari.
Sotto la guida di Montezemolo la Ferrari è diventata una delle squadre più vincenti nella storia della Formula 1, conquistando 14 titoli mondiali costruttori e 12 titoli piloti. Tra i piloti che hanno corso per la Ferrari durante il mandato di Montezemolo si possono citare Michael Schumacher, Rubens Barrichello, Felipe Massa, Fernando Alonso e Sebastian Vettel.
Montezemolo è stato anche un attivo sostenitore della sicurezza in pista e della tutela dei diritti dei piloti. Nel 1994, dopo la morte di Ayrton Senna durante il Gran Premio di San Marino, ha guidato una commissione per riformare la sicurezza nella Formula 1. Nel 2012 ha anche sottoscritto la Dichiarazione di Ginevra, un impegno da parte dei dirigenti sportivi per lottare contro la tratta di esseri umani.
Nel 2014 Montezemolo ha lasciato la Ferrari, dopo 23 anni alla guida della scuderia. La sua uscita è stata controversa, con alcune voci che sostenevano che fosse stato costretto a dimettersi dal presidente della Fiat-Chrysler Sergio Marchionne, a causa della mancanza di risultati sportivi. Altre fonti invece sostengono che Montezemolo volesse un’indipendenza maggiore per la Ferrari, e che la sua uscita fosse stata concordata di comune accordo.
Dopo aver lasciato la Ferrari, Montezemolo ha continuato a essere attivo nel mondo degli affari e del motorsport. Ha lavorato come consigliere di vari gruppi, tra cui la Banca Santander, la Juventus FC e la Fondazione Agnelli. Nel 2017 è stato nominato presidente onorario del club calcistico AS Roma.
In sintesi, Luca Cordero di Montezemolo è stato uno dei protagonisti della storia della Formula 1, grazie alla sua leadership alla guida della Ferrari per oltre due decenni. Sotto la sua guida la Ferrari è diventata una squadra vincente, ma Montezemolo si è distinto anche per il suo impegno a favore della sicurezza in pista e per la difesa dei diritti dei piloti. Dopo aver lasciato la Ferrari, Montezemolo ha continuato a essere attivo nel mondo degli affari e del motorsport, diventando anche presidente onorario dell’AS Roma.