Consigliere comunale dal 2004, è eletto sindaco di Calalzo di Cadore nel 2009, è poi riconfermato nel 2014 e il 26 maggio 2019 viene rieletto sindaco per un terzo mandato consecutivo. Alle elezioni regionali in Veneto del 2015 si è candidato tra le liste di Fratelli d'Italia, nella mozione del presidente uscente leghista Luca Zaia, ottenendo 1.859 preferenze nella circoscrizione di Belluno ma insufficienti per garantirne l'elezione. Il 7 febbraio 2020 viene nominato coordinatore regionale di Fratelli d'Italia per il Veneto, mentre il successivo 3 maggio viene nominato, dalla presidente Giorgia Meloni, responsabile nazionale dell'agricoltura per Fratelli d'Italia. Alle elezioni politiche del 2018 viene eletto alla Camera dei Deputati nelle liste di Fratelli d'Italia nella circoscrizione Veneto 1.[1] Dal 21 giugno 2018 è segretario della Commissione Agricoltura.[2] Il 1 luglio 2020, a seguito di un riconteggio delle schede nella circoscrizione Veneto 1, il seggio di Luca De Carlo viene assegnato a Giuseppe Paolin, in quota Lega[3]. Il 5 agosto 2020 è cessato ufficialmente dal mandato parlamentare. Il 19 agosto 2020 ha ufficializzato la sua candidatura alle elezioni politiche suppletive del collegio uninominale Veneto - 09 provincia di Verona per il Senato della Repubblica[4]. Alle elezioni suppletive viene eletto senatore con il 71,87% dei voti. Si tratta del primo parlamentare nella storia della Repubblica ad essere stato eletto sia alla Camera sia al Senato nel corso di una stessa legislatura. Alle elezioni politiche anticipate del 2022 viene eletto al Senato nel collegio uninominale Veneto - 02 (Treviso e Belluno) per la coalizione di centrodestra con il 57,36%, quasi il triplo rispetto all'avversario del centro-sinistra Paolo Galeano (22,33%)[5]. Anche a causa della riduzione del numero dei parlamentari, De Carlo è l'unico parlamentare eletto dalla Provincia di Belluno in questa tornata elettorale. Nella XIX legislatura ricopre l'incarico di presidente della 9ª Commissione Agricoltura, turismo, industria e produzione agroalimentare del Senato della Repubblica.