Poliglotta, si laureò infilosofia a Roma nel 1943. Antimilitarista, durante la leva si annoiava; avendo appreso che i tempi di montaggio e smontaggio del Fucile 91 erano oggetto di competizione in tutto l'esercito, nelle ore libere si concentrò sul problema, arrivando a mettere a punto un metodo originale e imbattibile; fu così condotto di caserma in caserma a darne dimostrazioni (come racconta Carlo Fruttero nel libroMutandine di chiffon).
Esordì come narratore nel 1951 nella storica collana di Einaudi "I gettoni", diretta da Elio Vittorini, conI compagni sconosciuti, seguito nel 1964 dalla raccolta di raccontiNotizie degli scavi (dal cui racconto omonimo, nel 2011, è stato tratto un film con lo stesso titolo, per la regia diEmidio Greco).
Lucentini conobbeCarlo Fruttero neglianni cinquanta: i due scrittori si incontrarono in un bistrot a Parigi, attraverso amici comuni. Si videro di nuovo cinque anni dopo a Torino presso l'editoreGiulio Einaudi e iniziarono una fruttuosa collaborazione che durò più di quarant'anni. Oltre ai libri e agli articoli scritti a quattro mani,Fruttero & Lucentini diressero per Mondadori la collana di fantascienzaUrania e curarono diverse antologie dinarrativa.
Il loro primo libro pubblicato fu la raccolta di poesieL'idraulico non verrà, del 1971. Diventarono noti al grande pubblico l'anno successivo, con il "giallo"La donna della domenica (1972) da cui fu tratto un film diretto daLuigi Comencini, conMarcello Mastroianni nella parte del protagonista, il commissario Santamaria. Tra gli altri libri della coppia si possono ricordareA che punto è la notte (1979),Il Palio delle contrade morte (1983),L'amante senza fissa dimora (1986),La verità sul caso D (1989),Enigma in luogo di mare (1991),La morte di Cicerone (1995), lacommediaLa cosa in sé (1982), eLa prevalenza del cretino (1985)[1].
^Quest'ultimo è la raccolta degli articoli scritti dalla coppia negli ultimi tredici anni precedenti l'uscita del volume sulla rubrica bimensileL'Agenda di F. & L. del quotidiano torineseLa Stampa, cui si aggiungono alcuni articoli scritti per i periodiciL'Espresso edEpoca.