Na advocacia privada, Luiz Fux foi advogado da Shell Brasil S.A. Petróleo, aprovado em primeiro lugar em concurso, de 1976 a 1978. De 1979 a 1982, foi promotor de Justiça do estado do Rio de Janeiro, nas comarcas de Trajano de Moraes, Santa Maria Madalena, Cordeiro, Cantagalo, Nova Iguaçu, Macaé e Petrópolis. Foi também curador de fundações, no mesmo período.
De 1983 a 1997, Luiz Fux foi juiz de direito, aprovado em primeiro lugar em concurso, e exerceu atividades nas comarcas de Niterói, Duque de Caxias, Petrópolis, Rio de Janeiro (capital) e Registro Civil das Pessoas Naturais.
Promovido por merecimento para o cargo de juiz de direito da Entrância Especial, atuou na 9ª Vara Cível do estado do Rio de Janeiro. Durante esse período, exerceu a função de juiz eleitoral do Tribunal Regional Eleitoral do Rio de Janeiro, na 13ª Zona Eleitoral e na 25ª Zona Eleitoral do Rio de Janeiro.
Fux também foi promovido por merecimento para o cargo de juiz de direito do antigo Tribunal de Alçada do Estado do Rio de Janeiro. Foi desembargador do Tribunal de Justiça do Estado do Rio de Janeiro de 1997 a 2001.
Em 2001, foi o escolhido pelo presidente Fernando Henrique Cardoso para ocupar o cargo de ministro do Superior Tribunal de Justiça (STJ) pelo terço destinado a desembargadores de tribunais de Justiça, em vaga deixada por Hélio Mosimann, que se aposentara. Foi empossado em 29 de outubro de 2001.
Em 1º de fevereiro de 2011, foi indicado pela presidente Dilma Rousseff para ocupar uma cadeira do Supremo Tribunal Federal (STF), vaga desde agosto de 2010, com a aposentadoria do ministro Eros Grau.
Em 9 de fevereiro de 2011, a Comissão de Constituição e Justiça do Senado Federal aprovou, por unanimidade, a indicação de Luiz Fux para o Supremo Tribunal Federal.
Em seguida, a matéria seguiu para o plenário do Senado, que aprovou a indicação por 68 votos a favor, dois contra e sem nenhuma abstenção.
Em 11 de fevereiro, foi nomeado ministro do STF.
Já em 3 de março de 2011, tomou posse como 11º ministro da mais alta corte do Brasil.