Лулео был основан в 1621 году вокруг средневековой церкви в Гаммельстаде как торговый и рыболовный город. Подъём суши после ледникового периода постепенно сделал старую гавань слишком мелкой для растущего морского обмена, поэтому в 1649 году город перенесли примерно на десять километров к нынешнему полуострову. Часть жителей продолжила приезжать в Гаммельстад на церковные праздники, благодаря чему сохранился ансамбль временных церковных домиков. Новый Лулео развивался медленно и пережил войны, русские разорения и большой пожар 1887 года. Во второй половине XIX века появились резиденция лена, больница, телеграф и железная дорога, связавшие порт с внутренними районами. Лесная торговля, судостроение, железная руда и металлургия сформировали промышленный профиль XX века. В 1971 году в городе начал работу Лулеоский технический университет, усилив научную и инженерную специализацию региона. С 1969 года муниципалитет включает также Недералулео и Ронео, поэтому городская история соседствует с обширными сельскими территориями. Сегодня Гаммельстад, гавани и современный кампус показывают разные этапы северного развития.