Ο πρώτος ορθόδοξος ναός που σχεδίασε ο Ερνέστος Τσίλερ (Ernst Ziller) στην Ελλάδα, οικοδομήθηκε μεταξύ των ετών 1864-1870.
Όταν ανεγέρθηκε ο νεότερος ναός στον χώρο που παλιότερα κατείχαν διαδοχικά μια παλαιοχριστιανική βασιλική και η μεσο-βυζαντινή μονή Αγίου Λουκά, που ερειπώθηκε κατά την περίοδο της Ελληνικής Επανάστασης, το οικόπεδο ανήκε πλέον στον Θεόκλητο Βίμπο, καθηγητή στη Θεολογική Σχολή Αθηνών (1860-1869) και κατόπιν αρχιεπίσκοπο Μαντινείας και Κυνουρίας (1869-1903).
Σε σχήμα εγγεγραμμένου σταυροειδούς μετά τρούλου, το κτίσμα του Αγίου Λουκά συνδυάζει την βυζαντινή παράδοση με στοιχεία του λεγόμενου νεορωμανικού ρυθμού, όπως ο «ωοειδής» τρούλος, τα υψίκορμα παράθυρα και οι χαρακτηριστικοί πυργίσκοι στις εξωτερικές ακμές.
Ενδιαφέρον είναι και το τέμπλο, κατασκευασμένο, βάσει σχεδίων του Τσίλερ, όχι από μάρμαρο, αλλά από γύψο ή θηραϊκή γη, όπως και τα κιονόκρανα των τεσσάρων μεγάλων μαρμάρινων πεσσών που στηρίζουν τον τρούλο.
Την επιρροή του νεορωμανικού ρυθμού υποδηλώνουν οι εμφανείς ομοιότητες του σχεδίου του Αγίου Λουκά με εκείνο του λουθηρανικού ναού στο Όμπερλέσνιτς (Oberlößnitz) της Σαξονίας, που σχεδίασε ο Τσίλερ την ίδια περίπου εποχή (1865).
Ο Γερμανός αρχιτέκτονας σχεδίασε αρκετούς ορθόδοξους ναούς στην Ελλάδα, μεταξύ των οποίων, τον Άγιο Γεώργιο του Ορφανοτροφείου Χατζηκώνστα στο Μεταξουργείο, την Αγία Τριάδα στον Πειραιά, τους ναούς Εισοδίων της Θεοτόκου και Φανερωμένης στο Αίγιο και τον Άγιο Αθανάσιο στον Πύργο.
Αρκετά χρόνια μετά τα εγκαίνιά του τo 1870, ο ναός επεκτάθηκε προς τα δυτικά σε δύο διαδοχικές φάσεις: το 1928, βάσει σχεδίων του Σταμάτιου Πατεράκη και το 1934, βάσει σχεδίων του Γεωργίου Νομικού, που έδωσαν μεγαλύτερη έμφαση στα νεοβυζαντινά στοιχεία.
