Si dedica anche al cinema, esordendo come regista nel 1998 con Radiofreccia, storia leggermente autobiografica e intrisa di malinconia sull'ultimo giorno di trasmissioni di una radio privata, la cui vita trascorre pari passo con quella di un gruppo di amici. Film artisticamente pregevole e maturo, tecnicamente sorprendente se lo si considera opera prima di un artista totalmente estraneo al cinema, viene presentato fuori concorso al Festival di Venezia, ottiene grandi consensi di critica e pubblico, e si aggiudica 3 David di Donatello (allo stesso Ligabue come miglior regista esordiente, a Stefano Accorsi come miglior attore protagonista e infine per la miglior colonna sonora), 2 Nastri d'Argento, un Globo d'Oro e tre Ciak d'Oro.

Il bis lo concede quattro anni più tardi con Da zero a dieci, storia generazionale su quattro amici che si ritrovano dopo vent'anni per un weekend a Rimini per fare il punto e assegnare un voto alle loro vite. Il film, selezionato per chiudere la Semaine de la critique al Festival di Cannes, non riscuote il successo di pubblico e critica della pellicola precedente e porta al regista solo la candidatura a un Nastro d'Argento.

Nel 2003 viene premiato con la Grolla d'oro per la filmografia.

A inizio 2006 ottiene un importantissimo riconoscimento internazionale per Radiofreccia: la pellicola viene proiettata negli Stati Uniti ed entra nell'archivio cinematografico permanente del MoMA, il Museo d'Arte Moderna di New York.

Il 16 novembre del 2006 il Premio Videoclip Italiano, organizzato in collaborazione con l'Università IULM di Milano, dedica al cantautore un'intera giornata dal titolo "Luciano Ligabue, Artista Totale: Dal videoclip al Cinema", nel corso della quale vengono proiettati i suoi film e tutta la sua videografia.

Nel novembre del 2006 dirige anche il suo primo video musicale: è quello de Gli ostacoli del cuore, canzone da lui scritta per Elisa.