В 1898 году стал студентом медицинского факультета Киевского университета, по окончании которого устроился работать в Киевский медицинский госпиталь Красного Креста. Как врач госпиталя в 1904 году отправился на Русско-Японскую войну. В Чите в эвакуационном госпитале заведовал хирургическим отделением и проводил крупные операции на костях, суставах и черепе.
В 1921 год в Ташкенте принял священный сан, в 1923-м — монашеский постриг с именем Лука и был рукоположен во епископа. В 1924—1925 годах находился в ссылке в Туруханском крае (Сибирь) по обвинению в контрреволюционной деятельности и шпионаже в пользу Англии.
В 1930 году был вновь арестован, по обвинению в выдаче «ложной справки о самоубийстве» профессора Ивана Михайловского, который находился в состоянии душевной болезни. Был выслан в Архангельск на 3 года, откуда в ноябре 1933 года вернулся в Ташкент, где в городской больнице заведовал гнойным отделением.
В июле 1937 года архиепископа Луку арестовали в третий раз по обвинению в создании «контрреволюционной церковно-монашеской организации», проповедовавшей недовольство советской властью и проводимой ею политикой. Приговор по делу был вынесен в феврале 1940 года: пять лет ссылки в Красноярский край. С октября 1941 года профессор Войно-Ясенецкий был консультантом всех госпиталей Красноярского края и главным хирургом эвакогоспиталя, работая по 8−9 часов и проводя 3−4 операции в день. В конце 1945 года владыку и его секретаря пригласили в облисполком, чтобы вручить им медали «За доблестный труд в Великой Отечественной войне 1941−1945 гг.».
За большие заслуги перед Русской церковью архиепископ Тамбовский и Мичуринский Лука в феврале 1945 года был награжден Патриархом Алексием (Симанским) правом ношения бриллиантового креста на клобуке. Это была высшая архиерейская награда.
В 1946 году за опубликованные труды «Очерки гнойной хирургии» и «Поздние резекции при инфицированных ранениях больших суставов» владыке присудили Сталинскую премию I степени с денежным вознаграждением. Его он пожертвовал сиротам и вдовам воинов, павших в Отечественной войне.
В связи с назначением на Симферопольскую и Крымскую кафедру 26 мая 1946 года владыка переехал в Симферополь. В начале 1947 года стал консультантом городского военного госпиталя, где проводил показательные оперативные вмешательства.
В 1955 году ослеп полностью, что вынудило его оставить хирургию. В январе 1957 года избран почетным членом Московской духовной академии. Умер 11 июня 1961 года в воскресенье, в день Всех святых, в земле Российской просиявших.
Люди, молившиеся на могиле епископа, избавлялись от болезней. Эти случаи заставили руководство Русской православной церкви начать внимательно изучать его жизнь и творения. 22 ноября 1995 года архиепископ Симферопольский и Крымский Лука определением Синода Украинской православной церкви (Московского патриархата) причислен к лику местночтимых святых. Протоиерей Георгий Северин составил молитвы Святому Луке. В ночь с 17 на 18 марта 1996 года состоялось обретение святых мощей архиепископа Луки, которые теперь почивают в соборе Свято-Троицкого женского монастыря.
В 2000 году Генеральная прокуратура РФ полностью реабилитировала Валентина Войно-Ясенецкого.
