Лука возглавил Тамбовскую епархию в 1944 году, когда в Тамбов переехал военный госпиталь, при котором он служил хирургом. Кафедральным храмом стала Покровская церковь, открытая в 1943-м. До этого в ее здании было общежитие рабочих, и к приезду Луки иконы были расколоты, иконостасы сломаны, а стены исписаны. Луке удалось восстановить храм, иконами и предметами для богослужения его обеспечили горожане. Архиепископ активно проповедовал, создал архиерейский хор, за неполные два года смог собрать около миллиона рублей на нужды армии. Все это время он не прекращал делать по пять-шесть операций в день и заниматься наукой — изучал гнойную хирургию и анестезиологию. В 1946 году указом патриарха святителя Луку перевели в Симферополь. В Тамбов он больше не вернулся.