Luca Belelli Marchesini ha conseguito la Laurea in Scienze Forestali e il Dottorato di Ricerca in Ecologia Forestale presso l'Università degli Studi della Tuscia rispettivamente nel 2002 e nel 2007.

Il suo interesse scientifico è rivolto, sin dai primi anni di attività di ricerca, ai cicli biogeochimici degli ecosistemi terrestri, con particolare attenzione alla quantificazione dei bilanci di carbonio ed energia e alla comprensione della loro variabilità in risposta ai fattori climatici, nonché ai disturbi naturali e antropici, quali gli incendi e i cambiamenti di uso del suolo.
Dal 1999 ha partecipato a progetti internazionali finanziati dall'UE svolgendo attività di ricerca sperimentale in Italia, Russia, Spagna, Ghana e Olanda basata principalmente su misure di flussi di gas serra (anidride carbonica e metano), con tecniche micrometeorologiche, in ambienti di foresta, prateria e in zone umide.

È stato ricercatore postdoc presso il Dipartimento di Ambiente e Risorse Forestali dell'Università degli Studi della Tuscia (2007-2011); durante questi anni le sue esperienze professionali, oltre alla ricerca, includono la consulenza lo e sviluppo di metodologie per progetti forestali di sequestro del carbonio in vari Paesi (Ucraina, Montenegro e Argentina) nell'ambito dei meccanismi di flessibilità dell'UNFCCC.
Presso la Vrije Universiteit (VU) di Amsterdam (Paesi Bassi) (2011-2015) ha svolto ricerche sugli impatti del riscaldamento climatico sulla stabilità degli stock di carbonio del permafrost della tundra artica siberiana.
Tra il 2016 e il 2018 è stato ricercatore capo alla Far Eastern Federal University di Vladivostok (Russia), curando l'avvio di una linea di ricerca sul monitoraggio dei flussi di gas serra nel settore russo dell'Asia Pacifica, e poi Ricercatore presso l'Istituto Tecnologico Agrario dell'Università RUDN di Mosca (Russia).
In questi recenti anni, un nuovo crescente interesse per l'applicazione della tecnologia dell’Internet of Things nel campo dell'ecologia forestale lo ha portato a contribuire allo sviluppo di un dispositivo brevettato per la misura dei processi biologici delle piante arboree e del microclima forestale.

Dal 2019 è ricercatore presso il Centro di Ricerca e Innovazione della Fondazione Edmund Mach nel campo dell'ecofisiologia forestale occupandosi di monitoraggio delle foreste mediante dispositivi IoT e infrastrutture per la misura degli scambi di gas serra con l'atmosfera.

Luca Belelli Marchesini è autore di 40+ articoli su riviste peer-reviewed a livello internazionale e 5 capitoli di libri (Indice H= 23, 1867 citazioni Scopus), membro del comitato editoriale della rivista Forests e revisore per le principali riviste scientifiche del suo settore professionale.