В Киеве, куда семья переехала впоследствии, Валентин окончил гимназию и рисовальную школу. Собирался поступать в Петербургскую Академию Художеств, но по размышлении о выборе жизненного пути решил, что обязан заниматься только тем, что «полезно для страдающих людей», и избрал вместо живописи медицину. Однако на медицинском факультете Киевского Университета св. Владимира все вакансии были заняты, и Валентин поступает на юридический факультет. На какое-то время влечение к живописи снова берет верх, он едет в Мюнхен и поступает в частную школу профессора Книрра, но через три недели, затосковав по дому, возвращается в Киев, где продолжает занятия рисованием и живописью, наконец Валентин осуществляет свое горячее желание «быть полезным для крестьян, так плохо обеспеченных медицинской помощью», и поступает на медицинский факультет Киевского университета св. Владимира. Он учится блестяще. «На третьем курсе, – пишет он в „Мемуарах“, – произошла интересная эволюция моих способностей: умение весьма тонко рисовать и любовь к форме перешли в любовь к анатомии...»
В 1903 году Валентин Феликсович закончил университет. Невзирая на уговоры друзей заняться наукой, он объявил о своем желании всю жизнь быть «мужицким», земским врачом, помогать бедным людям. Началась русско-японская война. Валентину Феликсовичу предложили службу в отряде Красного Kpecта на Дальнем Востоке. Там он заведовал отделением хирургии в госпитале Киевского Красного Креста Читы, где он познакомился с сестрой милосердия Анной Ланской и обвенчался с ней. В Чите молодые супруги прожили недолго.
С 1905 года по 1917-й В. Ф. Войно-Ясенецкий работает в городских и сельских больницах Симбирской, Курской и Саратовской губерний, а также на Украине и в Переславле-Залесском. В 1908 году он приезжает в Москву и становится экстерном хирургической клиники профессора П. И. Дьяконова.
В 1916 году В. Ф. Войно-Ясенедкий защитил докторскую диссертацию «Регионарная анестезия», о которой его оппонент, известный хирург Мартынов сказал: «Мы привыкли к тому, что докторские диссертации обычно пишутся на заданную тему, с целью получения высших назначений по службе, и научная ценность их невелика. Но когда я читал Вашу книгу, то получил впечатление пения птицы, которая не может не петь, и высоко оценил ее». Варшавский университет наградил Валентина Феликсовича премией имени Хойнацкого за лучшее сочинение, пролагающее новые пути в медицине.
С 1917 года по 1923-й он работает хирургом в Ново-Городской больнице Ташкента, преподает в медицинской школе, преобразованной затем в медицинский факультет.
В 1919 году от туберкулеза умирает жена Валентина Феликсовича, оставив четверых детей: Михаила, Елену, Алексея и Валентина.
Осенью 1920 года В. Ф. Войно-Ясенецкого приглашают возглавить кафедру оперативной хирургии и топографической анатомии открывшегося в Ташкенте Государственного Туркестанского университета. В это время он активно участвует и в церковной жизни, посещает заседания ташкентского церковного братства. В 1920 году на одном из церковных съездов ему было поручено сделать доклад о современном положении в Ташкентской епархии. Доклад получил высокую оценку епископа Ташкентского Иннокентия. «Доктор, вам надо быть священником», – сказал он Войно-Ясенецкому. "У меня не было и мыслей о священстве, – вспоминал Владыка Лука, – но слова Преосвященного Иннокентия я принял как Божий призыв архиерейскими устами, и минуты не размышляя: «Хорошо, Владыко! Буду священником, если это угодно Богу!» В 1921 году Валентин Феликсович был рукоположен в диаконы, а через неделю, в день Сретения Господня, Преосвященный Иннокентий совершил его рукоположение во иереи. Отец Валентин был определен в ташкентский собор, с возложением на него обязанности проповедовать. В священном сане Войно-Ясенецкий не перестает оперировать и читать лекции. В октябре 1922 года он активно участвует в первом научном съезде врачей Туркестана.
Волна обновленчества 1923 года доходит и до Ташкента. Епископ Иннокентий покинул город, не передав никому кафедру. Тогда отец Валентин вместе с протоиереем Михаилом Андреевым приняли управление епархией, объединили всех оставшихся верными священников и церковных старост и устроили с разрешения ГПУ съезд.
В 1923 году отец Валентин принимает монашеский постриг. Преосвященный Андрей, епископ Ухтомский, намеревался дать отцу Валентину при постриге имя целителя Пантелеймона, но, побывав на литургии, совершенной постригаемым, и послушав его проповедь, остановился на имени апостола, евангелиста, врача и художника св. Луки. 30 мая того же года иеромонах Лука был тайно хиротонисан во епископа в церкви св. Николая Мир Ликийских города Пенджикента епископом Волховским Даниилом и епископом Суздальским Василием. На хиротонии присутствовал ссыльный священник Валентин Свендицкий. Преосвященный Лука был назначен епископом Туркестанским.