Con el fin del período longobardo y la posterior dominación de Carlomagno y de los Francos en Italia, la importancia de Lucca creció de tal manera que los entonces marqueses de Toscana, como Adalberto I, decidieron establecer su residencia en la ciudad.

Durante el periodo carolingio, Lucca se desarrolló en las actividades comerciales y en la producción textil y llegó a conquistar una posición central en Europa por la calidad y belleza de sus productos.

Hasta el siglo X, la ciudad de Lucca llevó a cabo una función de árbitro en todos los asuntos italianos de la época; controlaba la principal vía de acceso a Roma en un ámbito de autonomía casi total.

Con el alejamiento del marqués de la ciudad y la concesión de autonomías administrativas cada vez mayores por parte imperial (diploma de Enrico IV de 1081) la ciudad de Lucca se convirtió en la Comuna de Lucca alrededor del año 1100.

Durante los siglos XII y XIII, la Comuna de Lucca se comprometió con la consolidación de su ordenación del territorio, librando del poder de los feudatarios locales a las colonias de los alrededores, para un mayor control y afincamiento urbano. Tuvo lugar un crecimiento urbanístico con miras al desarrollo de los burgos de fuera de las Murallas romanas a los lados este, oeste y norte, a lo que se añadió una segunda muralla que se terminó en 1260. Dentro de las Murallas se llevó a cabo una intensa obra de construcción que llevó a la renovación y ampliación de las iglesias, al crecimiento vertical de los palacios y edificios, como demuestran las decenas de torres gentilicias del siglo XIII. Lucca se fortaleció económicamente gracias a su actividad mercantil, de cambio y crediticia, debida a la Via Francígena y a la presencia de una de las más importantes y avanzadas manufacturas de seda de Occidente.

En la segunda mitad del siglo XIII, Lucca se convirtió en una ciudad güelfa, si bien dividida en su interior entre negros (representantes de la burguesía comercial) y blancos (aristócratas terratenientes).

Alrededor del año 1300, la alianza con Florencia llevó a una importante expansión territorial de las dos ciudades, aunque Lucca tuvo que hacer frente a tensiones sociales internas que después llevaron al fracaso de las instituciones de la Comuna: en 1308 la parte negra, en el poder, reformó el Estatuto de la Comuna y desterró a las familias de magnates de la ciudad. 

En un momento de inestabilidad, Lucca fue saqueada la noche del 14 de junio de 1314 por Uguccione della Faggiola, señor de Pisa, con la ayuda del luqués Castruccio Castracani degli Antelminelli.

Después de la caída de Uguccione, que fue expulsado en 1316, Castruccio Castracani se convirtió en el nuevo señor de Lucca, con la consolidación del poder ghibellino y la promoción de una política expansionista que perjudicó, sobre todo, a la Florencia güelfa, pero con su muerte inesperada, en 1328, el Ducado luqués se sumió en una época de gran decadencia.

Lucca consiguió volverse a constituir como República en 1372, gracias en parte a las comunidades de mercantes luqueses que había en toda Europa, que contribuyeron a la recuperación de la ciudad.

En 1400 se produjo otro cambio, a raíz de la elección de Paolo Guinigi como señor absoluto de la ciudad de Lucca, gracias a un golpe de mano de Giovanni Sercambi, que lo pintó como pacificador y defensor de la política antiflorentina de la ciudad.

Durante el siglo XIV la configuración urbanística quedó profundamente marcada por la construcción, en el área sur occidental, la Fortaleza Augusta (1322), que englobó en su interior a los barrios de San Pietro in Cortina (la que hoy es la piazza Grande), del Palazzo Ducale y de San Romano. Los burgos orientales, que surgieron fuera de la Porta di Borgo y de Porta San Gervasio y alrededor de las iglesias de San Francesco y San Ponziano, fueron cerrados, de tal manera que se expandió el recinto amurallado y el área urbana creció hasta llegar a las dimensiones actuales.