8 сентября 1943 г. Лука принял участие в архиерейском Соборе, избравшем патриархом митрополита Сергия (Страгородского). Был избран постоянным членом Синода РПЦ, однако из-за своей крайней занятости лечением раненых не смог исполнять эту должность. 7 февраля 1944 г. Лука был назначен архиепископом Тамбовским и Мичуринским, он, как и раньше, совмещал архиерейское служение с медицинской работой в госпиталях (до конца 1944 г.). Статьи Луки на общественно-политическую тематику с 1943 г. регулярно публиковались в «Журнале Московской Патриархии». В Тамбовской епархии в начале служения там Луки действовали два храма, незадолго до того возвращённые верующим. Лука активно руководил обустройством этих церквей, много проповедовал, производил священнические рукоположения, поддерживал перед местными властями ходатайства прихожан об открытии храмов; по его инициативе на Пасху в Тамбове были организованы богослужения в некоторых закрытых храмах; усилиями Луки на Тамбовщине происходило быстрое преодоление обновленческого раскола. Решительные действия нового Тамбовского архиерея вызвали недовольство Совета по делам РПЦ во главе с Георгием Григорьевичем Карповым, который пытался оказывать давление на Луку и через высшее церковное управление, и по линии военно-медицинского командования. 4 мая 1944 г. Г.Г. Карпов при встрече с патриархом Сергием (Страгородским) ознакомил его, как отмечалось в отчёте, с рядом «неправильных притязаний со стороны архиепископа Луки, неправильных его действий и выпадов». 10 мая он направил в Наркомат здравоохранения РСФСР служебную записку, в которой указывал на нарушение Лукой советских законов: повесил икону в хирургическом отделении госпиталя, совершал религиозные обряды в служебном помещении госпиталя перед проведением операций; присутствовал на межобластном совещании врачей в архиерейском облачении. Г.Г. Карпов настаивал: «Облздравотдел (г. Тамбов) должен был сделать соответствующее предупреждение профессору Войно-Ясенецкому и не допускать противозаконных действий». Тем не менее, Лука продолжал налаживать церковную жизнь в Тамбовской епархии. Всего за время управления Лукой в епархии начали действовать 24 прихода, однако кафедральный Спасо-Преображенский собор в Тамбове, открытия которого долго добивался Лука, власти церкви так и не вернули. После кончины 15 мая 1944 г. патриарха Сергия (Страгородского) в Москве было созвано Предсоборное совещание по выработке процедуры избрания нового патриарха. Присутствовавший на совещании Лука напомнил собравшимся, что поместным Собором Православной Российской церкви 1917–1918 гг. было установлено, что кандидаты в патриархи избираются тайным голосованием из нескольких кандидатов, а затем один из них выбирается жребием.