Согласно одной из редакций Жития Новгородского Никиты, написанной, как полагают исследователи, преподобным Зиновием Отенским («Похвальное слово» на открытие мощей святителя Никиты, конец 1550 – первая половина 1560 гг.) в 1558 г., в святительство Новгородского  архиепископа Пимена, нетленное тело Луки было обретено за алтарём Софийского собора при земляных работах по расширению придела во имя святых Иоакима и Анны. Как говорится в «Похвальном слове», обретению предшествовало видение «цареву мужу» (дьяку Фёдору Дмитриевичу Сыркову): один из явившихся ему «мужей» провёл по земле черту, обозначившую место заложения фундамента будущего придела, она же, как выяснилось, указала и место погребения святителя: «Обретоша гроб шестью дсками каменными соделан, на верхней же каменной дске воображение бе честнаго креста..., и отверсти его повеле и абие виде мощи святительски, свидетельствующему омофору, яко быти епископу лежащу в гробе том. Взем же мощи оны, архиепископ внесе в притвор Великия церкве и положи я в епископских гробех одесную страну Великия церкве, иже суть притвор с полуденныя страны. Взыскающе же по памятованем и обретоша, яко ту погребен есть епископ Лука, иже бе от крещения нашего вторый епископ великому Новуграду» (не опубликовано, цитируется по рукописи, принадлежавшей митрополиту Макарию (Булгакову), Научная библиотека Национальной Академии Наук Украины). Отождествлённые с Лукой мощи святителя были перезахоронены в Мартириевской паперти Софийского собора, где они и находятся под спудом. Нетленные мощи Луки в Мартириевской паперти были отмечены в Описи Софийского собора 1634 г. 12 октября 1698 г. сюда же, в «Золотую паперть», как она называлась в то время, были перенесены из «каменной полатки» и новообретённые мощи Иоакима Корсунянина, захороненные рядом с местом погребения Луки (Валентин Лаврентьевич Янин склоняется к мнению об ошибочности идентификации останков в 1558 г.). Память Луки до начала XX в. отмечалась 10 февраля, 4 и 15 октября. Тем не менее, ни один из дней его памяти не был указан в официальном синодальном «Верном месяцеслове всех русских святых» (М., 1903 г.). Исследователи полагают, что почитание святителя носило преимущественно местный характер, о чём в середине XIX в. писал митрополит Макарий (Булгаков). Канонизация Луки подтверждена включением его имени в Собор Новгородских святых, восстановление празднования которому произошло в 1981 г. по благословению Ленинградского и Новгородского митрополита Антония (Мельникова). Святителю составлены тропарь и кондак.