Родился в Керчи в семье аптекаря; в конце 1880-х годов семья переехала в Киев. В 1898–1903 учился на медицинском факультете Киевского университета. Окончив его, работал хирургом в русской провинции (Ардатов, Фатеж, Переславль-Залесский); с 1917 – в Ташкенте. В 1915 вышла первая книга Войно-Ясенецкого Регионарная анестезия. Личные потрясения в 1917 (смерть жены, первый арест по политическому доносу) лишь дополнительно укрепили его религиозность; в 1921 он был посвящен в сан диакона, а вскоре рукоположен в священники. Совмещал пастырскую и научную деятельность: будучи профессором, одним из инициаторов создания Ташкентского университета, читал лекции по анатомии и хирургии в рясе и с крестом на груди. В 1934 вышла в свет главная его монография – Очерки гнойной хирургии.

Епископ Ташкентский и Туркестанский с 1923, в том же году стал жертвой антицерковных гонений, был арестован и отправлен в ссылку в Енисейск, а затем в Туруханск. По отбытии сроков дважды возвращался в Ташкент, где лишился обеих кафедр, и церковной и университетской, дважды (в 1930 и 1937) вновь подвергался аресту, тюремным допросам и ссылке. Оказавшись к 1942 в Красноярске и вновь совмещая работу в больницах с церковным служением, был возведен в архиепископский сан.

В годы войны получил возможность развернуть широкую научно-консультативную работу. Его новаторские труды по гнойной хирургии – в силу их особой важности и для военной медицины – получили официальное признание (Сталинская премия 1944).

С 1944 – на Тамбовской кафедре, в 1946 переведен в Симферополь. В условиях постоянного давления со стороны властей (пытавшихся, в частности, запретить ему выступления с проповедями, где он не раз говорил об антицерковных беззакониях), архиепископ неукоснительно следил за епархиальным благочинием и священствовал, используя в то же время всякую возможность для применения своего медицинского дарования. Целитель (во всех смыслах этого слова) и исповедник, всегда смело отстаивавший свою веру во враждебной среде, владыка скончался 11 июня 1961. Причислен к лику святых именно как «исповедник»; церковь отмечает память его в день кончины 29 мая (11 июня).