Il apparaît pour la 1re fois dans Mario Bros en arcade et sur d'autres consoles, étant le personnage du deuxième joueur. Il est évidemment de la partie dans Super Mario Bros, bien que cette fois, sa chemise soit verte et sa casquette ainsi que sa salopette blanche (cette combinaison de couleurs sera utilisée par la suite pour son costume de Fleur de feu). Luigi est alors contrôlé par le deuxième joueur, devant attendre que le premier joueur (contrôlant Mario) meure pour commencer la partie. Il est également présent dans le moins connu Wrecking Crew.
Longtemps considéré comme un simple "Mario vert" (son apparence initiale étant pixellement identique à celle de Mario), l'identité de Luigi va néanmoins s'affirmer dans le Super Mario Bros. 2 japonais (connu en Europe et aux États-Unis sous le nom de Lost Levels), et surtout dans Super Mario Bros. 2 dit "USA" (le volet sorti en occident à la place de Lost Levels). Luigi y apparaît comme un héros fantasque, gauche mais aux capacités de saut supérieures à celles de Mario. Surtout, et pour la première fois dans la série, l'apparence de Luigi y est différente de celle de son frère Mario.