Медицина всерьез увлекла Валентина Феликсовича. Он становится одним из лучших студентов на факультете. Его авторитет признавался и однокурсниками, избравшими его старостой курса. В эти годы сформировался образ жизни будущего святителя, определяющими чертами которого стали самозабвенное служение народу и глубокая вера в Бога. «В это время, – вспоминал он впоследствии, – впервые проявилась моя религиозность. Я каждый день, а иногда и дважды в день ездил в Киево-Печерскую Лавру, часто бывал в киевских храмах…» В 1903 году выпускные государственные экзамены Войно-Ясенецкий сдал блестяще, и перед ним открывалась приятная перспектива научной карьеры, но он сказал однокурсникам, что намерен стать земским врачом. «Вы будете земским врачом?! – поразились молодые люди. – Ведь вы ученый по призванию!» Как это понятно нам, как это объяснимо для людей, служащих для того, чтобы жить. Им трудно понять тех, что живет ради служения. Показательно ответное признание двадцатишестилетнего Валентина Феликсовича: «Я был обижен тем, что они меня совсем не понимают, ибо я изучал медицину с исключительной целью быть всю жизнь деревенским, мужицким врачом, помогать бедным людям».

Но прежде русской деревни молодому врачу довелось побывать на войне. Он добровольно отправился с киевским госпиталем Красного Креста на театр русско-японской войны, войны ненужной и неудачной (что определило критическое отношение Войно-Ясенецкого к царскому режиму). Это его решение оказалось чрезвычайно важным: молодому врачу было поручено заведование хирургическим отделением, в котором он сам неутомимо работал, и самые сложные операции проходили удачно, по его признанию, «несчастий не бывало». Опыт оперирования на костях, суставах и черепе вкупе с осмыслением подмечаемых закономерностей привел Валентина Феликсовича к размышлениям над проблемой обезболивания при операциях, что в конечном счете вылилось в научное исследование. Там же, в госпитале, Войно-Ясенецкий встретил сестру милосердия Анну Васильевну Панскую, покорившую его «не столько своей красотой, сколько исключительной добротой и кротостью характера». В своих воспоминаниях архиепископ Лука откровенно рассказывает обо всех сложностях своей любви, в которой предугадывалось нарушение воли Божией.

По возвращении в Россию началась работа в земских больницах в городе Ардатове Симбирской губернии, в селах Верхний Любаж и Фатеж Курской губернии, селе Романовка Саратовской губернии и городе Переславль-Залесский. По повестям В. Вересаева и М. Булгакова можно составить верное и красочное представление о быте и работе молодого врача в дореволюционной деревне, сходной оказалась и жизнь земского доктора Войно-Ясенецкого. Талантливый хирург скоро стал знаменитым среди окрестных жителей благодаря удачным операциям, но независимый характер и самостоятельность суждений привели к трениям с земскими управами. Аналитические способности и очевидная склонность к научной деятельности побудили Валентина Феликсовича к написанию докторской диссертации о регионарной анестезии, которую он успешно защитил в 1916 году. Варшавский университет отметил эту работу как «лучшее сочинение, пролагающее новый путь в медицине», премией в 900 рублей золотом, но автор не сумел их получить, не успев представить в Варшаву требуемое количество своей книги. Он трудился не ради денег (хотя жил с женой и тремя детьми на одно жалованье) и не ради славы (хотя признание коллег было приятно). Он трудился потому, что видел в медицинской деятельности путь, указанный ему Богом. Тогда же ему пришла мысль о работе над темой «гнойная хирургия», оказавшейся очень важной впоследствии.