В 1901 году окончил Орловское Александровское реальное училище. Одновременно начал учиться в Орловской рисовальной школе Сычева; продолжал художественное обучение на архитектурном отделении Казанской художественной школы (1901—1903) и, с 1903 года, в Петербурге, в Императорской Академии художеств.
В 1905—1907 годах путешествовал по Западной Европе, изучая старинную архитектуру. В 1907 году брал уроки рисунка в московской мастерской К. Ф. Юона. С 1908 года — в Петербурге; здесь он активно работал с С. К. Маковским, печатал, в основном искусствоведческие статьи, в журналах «Старые годы», «Зодчий», «Столица и усадьба», «Аполлон», участвовал в выставках.
В 1910 году отправился «во внутренние губернии Российской империи для собирания, исследования, изучения, зарисовывания и фотографирования предметов старины». Поездки по России продолжились и в следующие годы. Результатом стали труды Г. К. Лукомского, посвященные архитектуре русских городов: «О художественной архитектуре провинции», «Кострома» (1913), «Вологда в её старине» (Пг., 1914), «Галиция в ее старине. Очерки по истории архитектуры XII — XVIII вв.» (Пг., 1915), «Старый Петербург», «Памятники старинной архитектуры России в типах художественного строительства» (Пг., 1916), «Современный Петроград. Очерки истории возникновения и развития классического строительства», «Старинные усадьбы Харьковской губернии», «Царское село» и др.
23 мая 1915 года он наконец-то получил удостоверение об исполнении дипломного проекта и, спустя некоторое время, свидетельство на звание художника-архитектора и стал членом Императорского археологического института.
В 1914—1918 годах был почётным членом Северного кружка любителей изящных искусств.
После Февральской революции входил в «Особое совещание по делам искусств», описывал ценности царских дворцов для организации в них музеев. В 1918 году уехал на Украину. С 1 февраля 1919 года стал главным хранителем художественного собрания Б. И. Ханенко, подготовил к печати его каталог. Кроме этого, он заведовал в Киеве описанием, реставрацией и мезеефикацией памятников архитектуры, в том числе Св. Софии; напечатал книгу посвящённую украинскому барокко XVII—XVIII веков (1-я часть, посвящённая киевским храмам); читал лекции по истории мебели в Киевском археологическом институтеи по русскому прикладному искусству XVII века — в университете св. Владимира. Вынужден был покинуть Киев в октябре 1919 года и 20 апреля 1920 года покинул Россию, через Константинополь эмигрировав в Париж. На Западе продолжал активно работать как художник и искусствовед, был секретарём Парижской группы «Мира Искусства», сотрудничал в журналах «Сполохи», «Жар-птица»; выпускал книги о русской архитектуре: «Russisches Porzellan», «Russische Baukunst» и др.
С 1940 года жил в Лондоне. Предполагал вернуться в Россию: В. К. Лукомский писал Э. Ф. Голлербаху:
Умер в Ницце в 1952 году.