Il atteint les quarts de finale du championnat international 2012, à l'âge de 14 ans[2]. Depuis, Lü compte une finale dans un tournoi comptant pout le classement mondial ; l'Open d'Inde 2019. En 2013, il est aussi finaliste d'une épreuve du circuit asiatique.
L'année 2018 débute par une victoire dans le tournoi de qualification de l'Open de Chine, contre Ryan Day, 6-3. Il parvient jusqu'en huitièmes de finale grâce à des victoires sur Liam Highfield et Fergal O'Brien, avant de perdre contre le futur vainqueur, Mark Selby. Lors des qualifications pour le championnat du monde, il bat Fang Xiongman (10-8). Il rencontre au second tour Martin O'Donnell. Mené 5-9, Lü remporte les 5 manches suivantes, et le match, 10-9. Au troisième et dernier tour, il domine Rory McLeod (10-2), en remportant les 9 dernières manches, et se qualifie pour la première fois de sa carrière au tableau principal du championnat du monde, au Crucible. Opposé à Marco Fu, qui n'avait pas concouru pendant 4 mois en raison d'une opération à un œil, Lü s'impose sur le score de 10-5, en réalisant deux century breaks. Il devient à cette occasion le plus jeune joueur à gagner un match au Crucible depuis Ronnie O'Sullivan lors de l'édition 1995. Au deuxième tour, il affronte Barry Hawkins. Malgré un retard de 4-0 et 8-3, il revient au score à 9-9, mais finit par perdre, 13-10. Lü Haotian termine la saison 2017-2018 à la 30e place au classement[7].
L'année suivante, il fait demi-finale au Snooker Shoot-Out, où il est sorti par son compatriote Zhou Yuelong. En avril 2021, il atteint le championnat du monde pour la seconde fois de sa carrière, mais s'incline dès son entrée en lice face à Mark Allen[8]. Il réitère l'année suivante et affronte Stuart Bingham. Néanmoins, une fois de plus, il ne parvient pas à franchir le premier tour. Au début de la saison 2022-2023, le Chinois retrouve de la constance dans ses résultats, disputant deux quarts de finale consécutifs ; à l'Open de Grande-Bretagne et à l'Open d'Irlande du Nord. Il améliore encore ses résultats la saison suivante, rejoignant la demi-finale de l'Open de Wuhan, battu par Ali Carter[9]. Sur sa route, il élimine notamment Ronnie O'Sullivan (5-1)[10].
