Prof. Łukasz Madej, od ponad piętnastu lat uczestniczy w kształceniu studentów I, II stopnia oraz doktorantów na Wydziale Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej AGH w obszarze szeroko pojętej inżynierii materiałowej, modelowania numerycznego i technik cyfryzacji przemysłu. Nieustannie opracowuje nowe wykłady, seminaria, zajęcia projektowe oraz laboratoryjne dostosowując ofertę kształcenia do zmieniających się potrzeb studentów oraz pracodawców. W okresie ostatnich dwudziestu lat opracował i prowadził zajęcia z 22 przedmiotów w języku polskim i angielskim. Jest autorem trzech podręczników akademickich poświęconych zagadnieniom modelowania numerycznego w obszarze inżynierii materiałowej. Wychowanie młodzieży obejmuje także wypromowanie 5 doktorantów, którzy obronili prace z wyróżnieniem, a także 71 magistrów oraz 85 inżynierów. W latach 2016-2023 pełnił rolę kierownika studiów doktoranckich koordynując na Wydziale kształcenie doktorantów. W tym zakresie w 2019 był też członkiem zespołu ds. Organizacji Szkoły Doktorskiej w AGH. Od tego samego roku jest zaangażowany w prace Rady Szkoły, a od 2024 roku pełni rolę zastępcy dyrektora Szkoły Doktorskiej AGH.

Wykazuje również dużą aktywność w recenzowaniu prac magisterskich i inżynierskich, a także doktorskich. W przypadku tych ostatnich to dotychczas ponad 20 recenzji w kraju i zagranicą. Był wieloletnim członkiem wydziałowej komisji ds. przewodów doktorskich, wydziałowej komisji ds. egzaminów dyplomowych, wydziałowej komisji ds. obron czy też wydziałowej komisji ds. jakości kształcenia. W latach 2012-2016 pełnił rolę przewodniczącego senackiej komisji ds. dyscyplinarnych studentów, a w okresie 2020-2024 był członkiem senackiej komisji ds. kształcenia.

Profesor Madej angażuje się również w popularyzację nauki na poziomie szkół średnich poprzez np. serię wykładów pt. „Czy informatyka jest potrzebne inżynierowi”, przybliżających złożone zagadnienia naukowe młodzieży. Od piętnastu lat współpracuje również ze Specjalnym Ośrodkiem Szkolno-Wychowawczym nr. 3 w Krakowie nad opracowaniem i wykorzystaniem w procesie kształcenia i terapii nowoczesnych technologii, w tym kontrolerów ruchu czy gogli wirtualnej rzeczywistości. W wyniku tej współpracy powstało wiele programów komputerowych oraz urządzeń terapeutycznych wykorzystywanych w praktyce przez nauczycieli w trakcie zajęć z uczniami.