Avgörandet kom först i straffläggningen där Luleå var starkare och vann med 2-1 (0-1, 0-0, 1-0, 0-0, 1-0).
Segern var Luleås sjätte på de senaste sju matcherna.
Luleå låg under inför sista perioden men laget vände underläget, och vann.
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.