W 1930 został aresztowany ponownie i przez rok przebywał w więzieniu bez wyroku. W okresie tym poważnie zachorował na serce. Ostatecznie został skazany na trzyletnią zsyłkę do Archangielska. Podjął tam pracę w szpitalu i kontynuował badania na potrzeby przygotowywanej pracy Zarys chirurgii przypadków ropnych. Władze radzieckie kilkakrotnie proponowały mu umożliwienie objęcia katedry uniwersyteckiej w Leningradzie pod warunkiem rezygnacji ze święceń kapłańskich, jednak Łukasz (Wojno-Jasieniecki) za każdym razem odmawiał. W listopadzie 1933 zakończył odbywanie kary i udał się do Moskwy, gdzie w Ludowym Komisariacie Zdrowia ubiegał się o umożliwienie mu podjęcia pracy w charakterze wykładowcy na wydziale lekarskim jednego z uniwersytetów, jednak spotkał się z odmową. Licząc na to, iż będzie mógł w inny sposób kontynuować badania nad chirurgią przypadków ropnych, w czasie spotkania z metropolitą moskiewskim Sergiuszem, locum tenens Patriarchatu Moskiewskiego, odmówił mu powrotu do służby biskupiej na jednej z wakujących katedr. W poszukiwaniu zatrudnienia jako lekarz udał się najpierw do Teodozji, następnie zaś ponownie do Archangielska, wreszcie do Taszkentu i Andiżanu, gdzie prowadził kurs chirurgii ogólnej.