Piše se i jedno i drugo.

Banja Luka odvojeno ako svaka reč ima svoj akcenat i promenu Banje Luke, Banjoj Luci, a Banjaluka spojeno ako imaju jedan akcenat i menja se Banjaluke, Banjaluci, Banjaluku.
Banja Luka je starije i autentičnije a Banjaluka novije. Pravopis dopušta oba oblika.