Luce Mouchel suit les cours de l’École du Théâtre des Deux-Rives à Rouen puis du Conservatoire National Supérieur d’Art Dramatique de Paris (1985-1988) dans les classes de Denise Bonal, Gérard Desarthe et Daniel Mesguich. Elle a, en outre, étudié et enseigné le piano à l’École de musique de Dieppe et obtenu un D.E.U.G.de musicologie à l’université de Rouen.

Elle joue notamment sous la direction de Catherine Delattre, Éric Vigner, Jean-Pierre Miquel, Brigitte Jaques, Jean-Pierre Vincent, Daniel Mesguich et Alain Bézu dans La Seconde surprise de l’amour de Marivaux, Boulevard du boulevard de Gaston Portail, Andromaque de Racine, L’Histoire (qu’on ne connaîtra jamais) d’Hélène Cixous, Hamlet de Shakespeare, Médée d’Euripide et Électre de Sophocle.

Avec Alain Bézu, elle joue de 1981 à 1995 dans La Surprise de l’amour de Marivaux, Comme une histoire d’amour d’Arthur Miller, Feu la mère de Madame et Léonie est en avance de Georges Feydeau. En 2008, elle joue La femme d'avant de Roland Schimmelpfennig, m.e.s. Claudia Stavisky. Avec cette même metteuse en scène, elle joue Jeux Doubles de Cristina Comencini au théâtre de la Commune en 2009.

Elle interprète Les Antilopes de Henning Mankell en 2006 et Derniers Remords avant l'oubli de Jean-Luc Lagarce en 2005.

Elle a aussi joué dans Je Disparais d'Arne Lygre, mise en scène de Stéphane Braunschweig et dans Le Dindon de Feydeau, dans une mise en scène de Philippe Adrien.

En 2014, elle joue dans Le canard sauvage d'Henrik Ibsen, m.e.s. Stéphane Braunschweig, en 2018 dans J'ai rêvé la révolution de et m.e.s. Catherine Anne.

Elle a également tourné pour la télévision avec Jacques Renard, Patrice Chéreau, Denys Granier-Deferre, Olivier Saladin…

Elle a en outre participé à de très nombreuses émissions pour Radio France.

Par ailleurs, elle compose les musiques de scène pour La Mort d’Auguste de Romain Weingarten, mise en scène Gildas Bourdet et Dom Juan de Molière et La Tempête de Shakespeare, mises en scène Daniel Mesguich ; ainsi que la musique originale de deux téléfilms (Passion interdite sur France 2 en 1998 et Au Bout du rouleau sur Arte en 2002).

Depuis 2017, elle est sur TF1 le docteur Marianne Delcourt dans la série quotidienne Demain nous appartient.