24 июля 1923 года его посадили в Бутырскую тюрьму. Святитель подал заявление с просьбой разрешить ему лечить больных, в чем ему было отказано, так что он вынужден был ограничиться помощью сокамерникам. Перед отправкой в лагеря заключенных переводили в Таганскую тюрьму, где святитель, шедший пешком через всю Москву и простудившийся, тяжело заболел.
В конце ноября осужденный отправился в арестантском вагоне в восточносибирскую ссылку по этапу. В сильный мороз 18 января 1924 года группа ссыльных арестантов прибыла в Енисейск. Святитель жил на частной квартире, оказывал врачебную помощь больным и тайно проводил богослужения, объявив себя, согласно указанию Патриарха Тихона, единственно законным епископом Красноярским и Енисейским. Популярность и смелые действия епископа Луки привели к тому, что весной 1924 года он был арестован и выслан под конвоем в деревушку Хая, состоявшую из восьми дворов, затерянную в тайге. 5 июня 1924 года святитель вернулся в Енисейск, но в августе ему запретили богослужения и снова выслали в Туруханск.
Святитель продолжил работать в местной больнице. Однако по доносу в ноябре ему запретили служить и проповедовать, а также оперировать в рясе. Епископ-хирург написал заявление об увольнении из Туруханской больницы. Здравотдел края вступился за ссыльного, но в декабре на него было заведено новое уголовное дело. Уполномоченный ГПУ вызвал его из больницы и сообщил, что он должен немедленно уехать в ссылку на Ледовитый океан и на сборы дается полчаса. В станке Плахино, состоящем из пяти изб, он жил в комнате, где вместо рам были снаружи приложены плоские льдины. В начале марта 1925 года ссылка на Ледовитый океан в Плахино преждевременно закончилась. Жители Туруханска устроили бунт после того, как в городской больнице погиб пациент. Туруханское начальство поспешило вернуть епископа-хирурга обратно.
Он продолжил свою работу врача, а в воскресные и праздничные дни служил и проповедовал в церкви, что стало поводом для нового ареста и обвинения в антисоветской деятельности.
И снова ссылка – из Туруханска в Красноярск.
В январе 1926 года епископ Лука вернулся из Красноярска в Ташкент, где он наконец встретился с детьми, стал работать в больнице и служить в церкви.
Однако протоиерей Андреев сумел восстановить против него Патриаршего Местоблюстителя Сергия и тот прислал предписание отправиться в Курскую область викарием, потом – в город Елец викарием
Орловского епископа, а после – в Ижевск. Митрополит Новгородский Арсений посоветовал святителю подать прошение об увольнении на покой. Епископ Лука, измученный ссылками и тюрьмами, последовал его совету в 1927 году, но позднее считал этот путь греховным.
23 апреля 1930 года В.Ф. Войно-Ясенецкого снова арестовали по сфабрикованному обвинению по делу профессора И.П. Михайловского, а на допросах потребовали отречения от священного сана. Тогда святитель объявил голодовку протеста. Епископ Лука голодал 40 дней, но это не возымело действия на работников ГПУ.
В марте 1931 года, узнав, что в Москве «Медгиз» приступил к изданию его книги «Очерки гнойной хирургии», святитель обратился к начальнику Секретного отдела ГПУ с просьбой дать ему возможность работать над книгой. В ответ начальник отдела вынес резолюцию: «Срочно отправить к месту ссылки».
Владыка попал в Котлас, в лагерь Макариха – один из самых страшных лагерей сталинского режима, где работал в лагерной больнице. В Макарихе свирепствовал сыпной тиф, и многих тогда спасли благословенные руки епископа Луки, его острый ум и христолюбивое сердце.
Затем последовала ссылка в Архангельск, во время которой святитель Лука диагностировал у себя опухоль, оказавшуюся доброкачественной, и обратился с просьбой к начальнику секретного отдела поехать для операции в Москву, но его направили в Ленинград.
В Ленинграде святитель встретился с митрополитом, а потом отправился в монастырский храм, где во время чтения Евангелия пережил мистическое откровение, воспринятое им как напоминание Господа об оставленном им пути служения.
По возвращении в Архангельск его стали снова убеждать отречься от священного сана, обещали освободить и дать кафедру в Москве. Святитель отвечал, что сана епископа никогда не снимет.
В конце 1933 года его наконец освободили. Святитель снова попал в Ташкент и стал работать консультантом в Андижанской больнице. В августе 1934 года пришлось ехать в Москву для серьезного лечения глаза, были сделаны две операции, но произошла катастрофа поезда, в котором ехал сын Михаил. Святитель, не окончив лечение, отправился в Ленинград, чтобы помочь ему, и это привело к потери зрения левого глаза.
Осенью 1934 года вышла в свет книга святителя «Очерки гнойной хирургии», которая получила высокие оценки видных советских ученых, став путеводной нитью для врачей на много поколений вперед.
В 1935–1936 годы он жил в Ташкенте относительно спокойно, но душа его тосковала по церковному служению.