Родился в Керчи, в семье провизора Феликса Станиславовича Войно. Последний происходил из обедневшего польского дворянского рода, был набожным римокатоликом.После окончания гимназии и Киевского художественного училища учился живописи в Мюнхене в частной школе профессора Книрра. Некоторое время увлекался толстовством.
В 1898 году стал студентом медицинского факультета Киевского университета. По окончании его в годы Русско-японской войны работал хирургом в составе медицинского отряда Красного Креста в военном госпитале в Чите, где женился на медсестре Киевского военного госпиталя Анне Васильевне Ланской — дочери управляющего поместьем на Украине. В октябре 1919 года в возрасте 38 лет Анна Васильевна скончалась. Валентин Феликсович тяжело переживал кончину своей верной подруги, считая, что эта смерть была угодна Богу. Работал хирургом в г. Ардатов Симбирской губернии, в с. Верхний Любаж Фатежского уезда Курской области, в городке Фатеж, в Институте топографической анатомии г. Москвы.
В 1915 году издал в Санкт-Петербурге книгу «Регионарная анестезия» с собственными иллюстрациями. В 1916 году защитил её как диссертацию и получил степень доктора медицины.
Продолжил практическую хирургию в селе Романовка Саратовской области, а затем в Переславль-Залесском. В Феодоровском женском монастыре, где Валентин Феликсович был врачом, до сего дня чтится память его.
С марта 1917 года — главный врач городской больницы Ташкента.
"Неожиданно для всех, прежде чем начать операцию, Войно-Ясенецкий перекрестился, перекрестил ассистента, операционную сестру и больного. В последнее время он это делал всегда, вне зависимости от национальности и вероисповедания пациента. Однажды после крестного знамения больной — по национальности татарин — сказал хирургу: “Я ведь мусульманин. Зачем же Вы меня крестите?” Последовал ответ: “Хоть религии разные, а Бог один. Под Богом все едины”" (Две грани одной судьбы)
В Сретение (15 февраля) 1921 года был рукоположен в диакона, а чрез неделю — в пресвитера епископом Ташкентским и Туркестанским Иннокентием (Пустынским). Летом 1921 года ему пришлось публично выступить в суде, защищая профессора П. П. Ситковского и его коллег от выдвинутого властями обвинения во «вредительстве».
Весной 1923 года в Туркестанской епархии бо́льшая часть духовенства и храмов признали власть обновленческого Синода (епархия перешла под управление обновленческого епископа Николая (Коблова)); архиепископ Иннокентий после ареста ряда «староцерковных» священнослужителей самовольно покинул епархию. В мае 1923 года протоиерей Валентин Войно-Ясенецкий был тайно в своей спальне пострижен в монашество ссыльным епископом Андреем (Ухтомским), имевшим благословение от Патриарха Тихона самому избирать кандидатов для епископской хиротонии, с именем святого апостола Луки.
Дом Луки (Войно-Ясенецкого) в Симферополе, ныне часовня в его память
31 мая 1923 года, по поручению епископа Андрея (Ухтомского), будучи лишь иеромонахом был тайно рукоположен во епископа в Пенджикенте двумя ссыльным епископами: Болховским Даниилом (Троицким) и Суздальским Василием (Зуммером); спустя неделю был арестован. Прошёл по этапу Ташкент — Москва — Енисейск — Туруханск — деревня Плахино (между Игаркой и Дудинкой). В январе 1926-го вернулся в Ташкент. 6 мая 1930 года был снова арестован и этапирован в Архангельск. Освобождён в мае 1933 года.
Осенью 1934 года издал монографию «Очерки гнойной хирургии», которая приобрела мировую известность. Несколько лет профессор Войно-Ясенецкий возглавлял главную операционную в Институте неотложной помощи Ташкента. 24 июля 1937 года арестован в третий раз. С марта 1940-го работает хирургом в ссылке в Большой Мурте, что в 110 километрах от Красноярска. С октября 1941 года — консультант всех госпиталей Красноярского края и главный хирург эвакогоспиталя (в красноярской школе № 10, где располагался один из госпиталей, в 2005 году открыт музей).
Осенью 1942 года был возведён в сан архиепископа и назначен на Красноярскую кафедру. В конце 1943 года опубликовал второе издание «Очерков гнойной хирургии», а в 1944 году — монографию «О течении хронической эмпиемы и хондратах» и книгу «Поздние резекции инфицированных огнестрельных ранений суставов».
С февраля 1944 года возглавлял Тамбовскую кафедру. 4 мая 1944 года во время беседы в Совете по делам Русской православной церкви при СНК СССР Патриарха Сергия с председателем Совета Карповым, Патриарх поднял вопрос о возможности его перемещения на Тульскую епархию, мотивировал такую необходимость болезнью архиепископа Луки (малярия); в свою очередь, Карпов «ознакомил Сергия с рядом неправильных притязаний со стороны архиепископа Луки, неправильных его действий и выпадов». В служебной записке наркому здравоохранения РСФСР Андрею Третьякову от 10 мая 1944 года Карпов, указывая на ряд допущенных архиепископом Лукой поступков, «нарушающих законы СССР» (повесил икону в хирургическом отделении эвакогоспиталя № 1414 в Тамбове, совершал религиозные обряды в служебном помещении госпиталя перед проведением операций; 19 марта явился на межобластное совещание врачей эвакогоспиталей одетым в архиерейское облачение, сел за председательский стол и в этом же облачении сделал доклад по хирургии и другое), указывал наркому, что «Облздравотдел (г. Тамбов) должен был сделать соответствующее предупреждение профессору Войно-Ясенецкому и не допускать противозаконных действий, изложенных в настоящем письме.» Последующая проверка уполномоченного Совета установила, что факты совершения религиозных обрядов в служебном помещении госпиталя, вывешивания иконы и требования о восстановлении мощей не соответствуют действительности[4].
В феврале 1945 года награждён патриархом Алексием I правом ношения на клобуке бриллинтового креста. Пишет книгу «Дух, душа и тело» .
С мая 1946 года возглавлял Крымскую кафедру в Симферополе. За книгу «Очерки гнойной хирургии» в 1946 году удостоен Сталинской премии.
В 1955-м ослеп полностью. В 1957 году диктует мемуары. В постсоветское время вышла автобиографическая книга «Я полюбил страдание…»
Умер 11 июня 1961 года в воскресенье, в день Всех святых, в земле Российской просиявших.