Efter ordinarie matchtid var matchen oavgjord, lika så efter förlängningen, och först i straffläggningen kunde hemmalaget avgöra till 2-1 (0-1, 0-0, 1-0, 0-0, 1-0).
Segern var Luleås sjätte på de senaste sju matcherna.
Luleå hade problem och låg under med 0-1 efter två perioder.
Casper Juustovaara Karlsson och Tsimafej Tuzin gjorde mål för Luleå, och Hugo Bergendal för Timrå J20.
Det här var Luleås tredje uddamålsseger den här säsongen.
I tabellen innebär det här att Timrå J20 nu ligger på femte plats. Luleå leder serien.
Lagen har mötts fyra gånger tidigare under säsongen. Alla fyra gångerna före den här matchen har Luleå HF vunnit.
Nästa motstånd för Luleå är SSK J20. Lagen möts lördag 15 mars 15.30 i Coop Norrbotten Arena.