В 2005 году Лукас стал игроком «Сан-Паулу». В 2010 году он помог клубу выиграть молодёжный чемпионат Сан-Паулу, после чего тренер Сержио Барези порекомендовал его и Каземиро для перехода в первый состав. Первоначально, при тренере Рикардо Гомесе Лукас не получал места в составе команды, но с приходом на пост главного тренера «Сан-Паулу» Пауло Сезара Карпежиани дебютировал в клубе в матче с «Атлетико Паранаэнсе». Затем он смог завоевать место в основном составе команды и провёл за год 25 матчей. 17 февраля 2011 года Лукас подписал контракт с клубом до 2015 года с возможной суммой выкупа контракта за 180 млн реалов, что являлось на тот момент второй суммой отступных в истории бразильского чемпионата. В середине 2011 года миланский «Интернационале» принял решение купить одного из самых талантливых молодых игроков Бразилии, но «Сан-Паулу» отказался отпускать игрока. Однако руководство бразильского клуба согласилось сесть за стол переговоров в период дозаявок, который открылся в январе 2012 года, но Лукас остался в стане «трёхцветных». В мае того же года футболистом заинтересовался мадридский «Реал».