Matchen var helt jämn efter två perioder, 1-1, innan Luleå avgjorde i sista perioden.
Olle Skogfält stod för Luleås avgörande mål 15.47 in i tredje perioden.
Segern var Luleås femte på de senaste sex matcherna.
Axl Johansson, Samu Romakkaniemi och Olle Skogfält blev målskyttarna för Luleå, medan Samuel Bergmark och Zeb Forsfjäll gjorde Skellefteå AIK J20:s mål.
Resultaten i sista omgången innebär att Skellefteå AIK J20 slutar på sjunde plats och Luleå på första plats.