Воспитанник хоккейной школы воскресенского «Химика». Затем Локтионов тренировался в системе «Спартака» до подписания контракта с ярославским «Локомотивом». Также долгое время был в составе юниорской сборной России по хоккею. Он был задрафтован в 2008 году клубом «Лос-Анджелес Кингз» под общим 123-м номером.

В сезоне 2010/11 он забросил свою первую шайбу в НХЛ за «Кингз». Это произошло 19 октября 2010 года в матче против «Каролины Харрикейнз» в ворота Джастина Питерса. В сезоне 2011/12 в составе «Лос-Анджелес Кингз» Локтионов выиграл Кубок Стэнли, проведя 39 игр в регулярном чемпионате и две игры в матчах на вылет. По правилам НХЛ имя Локтионова не должно быть выгравировано на Кубке Стэнли, поскольку он провёл недостаточное количество игр, однако его имя было помещено на кубок по просьбе клуба[4][5].

6 февраля 2013 года Локтионов перешёл в клуб «Нью-Джерси Девилз» в обмен на выбор в 5-м раунде Драфта НХЛ 2013 года[6]. В этом же году дебютировал за сборную России на чемпионате мира в Финляндии, где в семи матчах смог набрать одно очко и стать лучшим игроком команды по системе «+/-» (+6).

5 марта 2014 года был обменян в «Каролину» на Туомо Рууту[7]. Сыграл 20 игр, набрал 10 (3+7) очков. На чемпионат мира 2014, который проходил в Минске, Локтионов поехал в статусе «игрока без контракта», но, отыграв всего одну смену, получил серьёзную травму плеча и пропустил остаток турнира, но стал чемпионом мира[8]. Полностью восстановившись от травмы в декабре 2014 года, подписал контракт со своим первым клубом — ярославским «Локомотивом» сроком на один год[9]. В сезонах 2015/16 и 2016/17 Локтионов также играл в составе «железнодорожников», в последнем сезоне стал бронзовым призёром.

В 2017 году, по истечении контракта с ярославским клубом, игрок и руководство команды не смогли договориться о новом соглашении, и Локтионов подписал просмотровый контракт со своим первым клубом НХЛ «Лос-Анджелес Кингз»[10][11]. По итогам тренировочного лагеря клуб отказался подписывать с игроком полноценный контракт[12]. 13 ноября 2017 года вернулся в «Локомотив» подписав контракт на один год[13]. 1 мая 2019 года подписал однолетний контракт с магнитогорским «Металлургом»[14]. В сезоне 2019/20 провёл 65 матчей, в который набрал 15 (3+12) очков. 30 апреля 2020 года покинул клуб[15].

1 мая 2020 года перешёл в московский  ц***, подписав контракт на два года[16]. 28 мая 2021 года Локтионов был обменян из  ц***  в «Амур»[17], однако хоккеист отказался подписывать контракт с хабаровским клубом и ему был присвоен статус «конфликт»[18]. 25 августа 2021 года в результате обмена пополнил состав московского «Спартака», подписав двухлетний контракт[19][20]. В сезоне 2021/22 провёл 36 матчей, в которых набрал 19 (10+9) очков. 6 июня 2022 года заключил новый контракт со «Спартаком» на три года[21].