Генерал-лейтенант (апрель 1916), один из создателей Добровольческой армии.
Был женат на Софье Михайловне, урождённой Драгомировой, дочери генерала Михаила Ивановича Драгомирова, сестре генерала Абрама Михайловича и Владимира Михайловича Драгомировых.
Окончил Петровский полтавский кадетский корпус, Николаевское инженерное училище (1888) и Николаевскую академию Генерального штаба (1897).
Служил в 11-м сапёрном батальоне. С 17 января 1898 — старший адъютант штаба 12-й пехотной дивизии. С 6 мая 1898 — помощник старшего адъютанта, с 16 декабря 1902 — старший адъютант штаба Киевского военного округа, которым командовал генерал М. И. Драгомиров. С 1907 — полковник. С 4 декабря 1907 — начальник штаба 42-й пехотной дивизии.
В январе — марте 1909 — и. д. начальника мобилизационного отдела Главного штаба, в январе — декабре 1909 — постоянный член Крепостного комитета. С 14 марта 1909 — начальник мобилизационного отдела Главного управления Генерального штаба (ГУГШ). Под его руководством было введено новое мобилизационное расписание, предусматривавшее как общую мобилизацию на случай войны с Германией и Австро-Венгрией, так и ряд частных мобилизаций на случай столкновения с соседями на южных и восточных окраинах. Через законодательные учреждения были проведены законопроекты, вносящие изменения в Устав о воинской повинности, и проведены мероприятия по доведению до полных норм всех запасов военного времени.
С 29 января 1913 — помощник начальника канцелярии Военного министерства. С апреля 1914 — генерал-майор. С началом мобилизации возглавил канцелярию. За успешное проведение мобилизации получил уникальную в русской армии награду, о которой в императорском указе говорилось:
В воздаяние особых заслуг исправляющего должность начальника Канцелярии Военного министерства генерал-лейтенанта Лукомского, оказанных им делу блистательного выполнения мобилизации нашей армии, всемилостивейше соизволил пожаловать ленту ордена Св. Великомученика и Победоносца Георгия к имеющемуся у него ордену Св. Равноапостольного Князя Владимира 4-й степени.
С ноября 1914 — генерал-лейтенант. С июня 1915, одновременно, был помощником (фактически заместителем) военного министра, возглавлял канцелярию Особого совещания по обороне государства. На посту помощника министра провёл ряд мероприятий, начиная с обеспечения армии пулеметами и сапогами и заканчивая образованием районных подкомиссий по эвакуации. Убедил Особое совещание в необходимости содействия развитию аэропланового строительства и в приёмке аэропланов фронтом, а также способствовал снабжению армии осветительными приборами.
С 2 апреля 1916 — начальник 32-й пехотной дивизии, во главе которой принял участие в наступлении генерала А. А. Брусилова («Брусиловском прорыве»), воевал в Бессарабии. Награждён орденом св. Георгия 4-й степени (1917)
За то, что, будучи начальником 32-й пехотной дивизии и лично руководя в боях с 22-го мая по 8-е июня 1916 года действиями вверенной ему 32-й пехотной дивизии, на полки каковой было возложено нанесение главного удара для прорыва укреплений австрийской позиции и занятия д. Ржавенцы, он отличными действиями и личным мужеством своим достиг блестящего успеха боевой работы дивизии своей, приведшей к полному разгрому 6 австрийских дивизий, занятию города Черновиц и захвату в плен 729 офицеров, 28021 солдата, а также 30 орудий, 92 пулеметов, 26 бомбометов, 9 минометов и множеству других трофеев.
Затем недолго был начальником штаба 10-й армии, с октября 1916 — генерал-квартирмейстер штаба Верховного главнокомандующего (утверждён в должности в декабре того же года). Вместе с генералом В. И. Гурко разработал план кампании на 1917, предусматривавший нанесение основного удара на Румынском фронте, который был отвергнут из-за возражений командующих фронтами генералов Н. В. Рузского и А. Е. Эверта.
После Февральской революции, 2 апреля 1917, назначен командиром 1-го армейского корпуса. С 2 июня 1917 — начальник штаба Верховного главнокомандующего. Поддержал выступление генерала Л. Г. Корнилова в августе 1917. Был арестован вместе с Корниловым в Могилёве, и в сентябре 1917 заключён в Быховскую тюрьму, откуда вместе с другими генералами бежал в ноябре 1917.
Прибыл по железной дороге в Новочеркасск, помогал генералам М. В. Алексееву и Корнилову в формировании Добровольческой армии. В декабре 1917 — феврале 1918 — начальник штаба Добровольческой армии, некоторое время состоял представителем Добровольческой армии при Донском атамане. В феврале 1918 был тайно направлен в Екатеринодар в качестве представителя добровольцев при Кубанском правительстве. Через несколько дней арестован большевиками, чудом спасся от гибели и выехал в Царицын, затем в Киев и Одессу, где устанавливал связь с офицерскими организациями. Ему удалось возвратиться в штаб Добровольческой армии лишь в июле 1918; он был назначен заместителем председателя Особого совещания при Верховном руководителе Добровольческой армии генерале Алексееве.
С сентября 1918 — помощник главнокомандующего А. И. Деникина и начальник Военного и Морского управления. С октября 1918 состоял председателем Особого совещания при главнокомандующем Вооружёнными силами Юга России (ВСЮР), с 30 декабря 1919 — глава правительства при главнокомандующем ВСЮР. По своим политическим взглядам был умеренным монархистом. В феврале 1920 был уволен от службы приказом генерала Деникина (как сторонник назначения главнокомандующим генерала П. Н. Врангеля) и выехал за границу.
С 1920 — представитель главнокомандующего Русской армией генерала Врангеля при союзном командовании в Константинополе, затем переведён в распоряжение главнокомандующего. В эмиграции — помощник великого князя Николая Николаевича, выполнял его секретные поручения, жил в Ницце. 31 июля 1926 ему подчинены все воинские союзы и организации Дальнего Востока и Америки. После смерти великого князя отошёл от политической деятельности, состоял в распоряжении председателя Русского общевоинского союза (РОВС).