Quatrième enfant d'une fratrie de cinq, Déborah Lukumuena grandit à Épinay-sous-Sénart dans une famille d'origine congolaise. Après son baccalauréat, elle obtient une licence en lettres.

Elle répond à une petite annonce de casting, dans l'idée d'obtenir un emploi de figurante, mais elle est retenue pour interpréter l'un des rôles principaux du film Divines de Houda Benyamina. Pour ce rôle, elle reçoit, ex-æquo avec sa partenaire Oulaya Amamra, le prix de la meilleure actrice aux Journées cinématographiques de Carthage en 2016, puis le prix Lumières du meilleur espoir féminin lors de la cérémonie de 2017. La même année, elle obtient le César de la meilleure actrice dans un second rôle.

Elle intègre ensuite le Conservatoire national supérieur d'art dramatique.

Début 2019, elle joue au théâtre Gérard-Philipe à Saint-Denis, interprétant Anguille, personnage du roman de l'écrivain comorien Ali Zamir, Anguille sous roche, dans une adaptation mise en scène de Guillaume Barbot.