В 1045 г. в новгородском Детинце (строительство крепости началось годом ранее) князь Владимир Ярославич заложил каменный собор Святой Софии в Новгороде. Он возводился вместо сгоревшей (в 1045 г, по «Новгородской Первой летописи» старшего извода, или, согласно «Новгородской Первой летописи» младшего извода, в 1049 г.) деревянной церкви с тем же посвящением, существовавшей, как полагают исследователи, с конца X в., хотя исследователи не исключают и того, что он был выстроен при Луке одновременно с возведением в Киеве каменного митрополичьего храма Святой Софии, с которым новгородский собор имел, по одному из летописных сообщений, одинаковое количество глав – 13. Освящение новгородского Софийского собора, несомненно с участием Луки, состоялось в 1050 г. Рядом с кафедральным храмом при Луке должен был в том или ином виде существовать владычный двор (исследователи готовы даже считать его территорией в то время, до расширения Детинца в начале XII в., всю площадь крепостных стен вне собора). В 1051/1052 г. (не позднее 1 марта 1052 г.) Лука должен был присутствовать в Киеве на Соборе, избравшем на митрополию кандидата князя Ярослава Илариона, бывшего иеромонаха, священника церкви святых Апостолов в княжеском селе Берестове, ставшего первым Киевским первосвятителем восточнославянского происхождения («постави Ярослав Лариона митрополитом Русина в святеи Софеи, събравши епископы» – «Новгородская Первая летопись»; «Повесть временных лет…»; по автобиографической записи Илариона, он «от благочестивых епископов священ бых и настолован в велицем и богохранимом граде Кыеве, яко быти в немь митрополиту, пастуху же и учителю» – «Библиотека литературы Древней Руси», том 1). У исследователей нет оснований полагать, что Лука, будучи русином и «ставленником» Ярослава, возражал против этого акта. Исследователи полагают, что Лука отпевал в Софийском соборе скончавшегося 4 октября 1052 г. князя Владимира Ярославича, погребённого в кафедральном храме. Согласно гипотезе Александра Евгеньевича Мусина, при Луке возникает урочище Десятина к югу от Детинца, где существовала городская таможня, на которой каждую десятую неделю собирали подати в пользу епископа, согласно принятому при князе Ярославе Владимировиче и митрополите Иларионе церковному уставу; не позднее 1327 г. («Новгородская Первая летопись») на этом месте возник Десятинный в честь Рождества Пресвятой Богородицы монастырь. В 1055/1056 г. Лука был вызван в Киев на церковный суд во главе с митрополитом Ефремом, поставленным в 1054/1055 г. на Киевскую митрополию в Константинополе патриархом Михаилом I Кируларием. Новому митрополиту поступил донос на Новгородского епископа от его холопа Дудики («клевета бысть на епископа Луку от своего холопа Дудикы, и изиде из Новагорода, и иде Кыеву, и осуди митрополит Ефрим, и пребысть тамо 3 лета…» – «Новгородская Первая летопись»).