24 июля 1937 г. Лука был арестован и заключён во внутреннюю тюрьму УГБ НКВД Узбекской ССР. Проходил по следственному делу вместе с группой местного духовенства во главе с Ташкентским архиепископом Борисом (Шипулиным), обвинённой в создании «контрреволюционной церковно-монархической организации» и шпионской деятельности. Лука также обвинялся во «вредительстве в деле оказания медицинской помощи трудящимся» и «убийстве больных посредством операций». Он единственный из подследственных решительно отверг все обвинения и отказался лжесвидетельствовать против других обвиняемых. Непрерывные многодневные допросы лишали его сна и причиняли тяжёлые мучения. В знак протеста в ноябре 1937 г. Лука держал длительную голодовку. 7 декабря был составлен акт, в котором говорилось, что «обвиняемый Войно-Ясенецкий отказался от дачи дальнейших показаний, возводя при этом клевету на органы НКВД» (сообщал в своих ходатайствах высшим органам власти о беззакониях и пытках во время следствия). В начале 1938 г., после того как другие обвиняемые по делу были расстреляны, Луку, как единственного ни в чём не признавшегося, перевели в центральную областную тюрьму. Следственные материалы по его делу были выделены в отдельное уголовное производство. В мае 1939 г. было вынесено постановление: «...Вследствие того, что основные свидетели по данному делу... в 1937–1938 годах осуждены к высшей мере наказания, настоящее дело для слушания в Военный трибунал направлено быть не может..., следственное дело... направить для разбора на особое совещание при НКВД СССР». 13 февраля 1940 г. Лука был приговорён к пяти годам ссылки (начало срока с момента ареста) и отправлен в село Б. Мурта в 110 км к северу от Красноярска (ныне посёлок в Красноярском крае). Работал врачом в местной районной больнице; подготовил в ссылке второе издание «Очерков гнойной хирургии» (объём книги был расширен в три раза), ему было разрешено выехать для посещения библиотеки в Томск. После начала Великой Отечественной войны Лука обратился к советскому руководству с просьбой: «...Являясь специалистом по гнойной хирургии, могу оказать помощь воинам в условиях фронта или тыла, там, где будет мне доверено. Прошу ссылку мою прервать и направить в госпиталь. По окончании войны готов вернуться в ссылку». В июле 1941 г. был назначен главным хирургом эвакуационного госпиталя №1515 в Красноярске, а в октябре того же года – консультантом всех красноярских госпиталей. По истечении формального срока ссылки 27 декабря 1942 г. патриарший местоблюститель митрополит Сергий (Страгородский) поручил Луке, «не отрывая его от работы в военных госпиталях», управление Красноярской епархией. Он был возведён в сан архиепископа. В это время в Красноярске не было ни одного действующего храма. Только в марте 1943 г. Луке удалось добиться восстановления маленькой церкви в пригородной деревне Николаевка в 5 км от Красноярска. Также он проводил службы на дому или в госпитале. Открывать другие храмы власти не разрешали, хотя Лука передавал многочисленные ходатайства об этом верующих.