Ανήκει στον τύπο των «ηπειρωτικών οκταγωνικών ναών» και μάλιστα θεωρείται το πρότυπο όλων των μεταγενέστερων ναών αυτού του τύπου. Στους οκταγωνικούς ναούς, που κατ'ουσίαν είναι σταυροειδείς ναοί, μόνο η στήριξη του [[τρούλος|τρούλου]] είναι οκταγωνική ενώ ο κεντρικός χώρος κάτω από αυτόν παραμένει τετράγωνος. Το καθολικό του Οσίου Λουκά χαρακτηρίζεται για τον ευρύ τρούλο του (διαμέτρου 9 μ. περίπου) και αντίστοιχα το διευρημένοδιευρυμένο ενιαίο τετράγωνο χώρο κάτω από αυτόν. Το βάρος του τρούλου φέρουν οκτώ ογκώδεις πεσσοί που γεφυρώνονται σε μεγάλο ύψος, από τέσσερα μεγάλα τόξα ανάμεσα σε τέσσερα ημιχώνια. Από τα παρεκκλήσια που πλαισιώνουν τον τετράγωνο πυρήνα ιδιαίτερη σημασία έχει το βορειανατολικό γιατί εκεί, και στο σημείο επικοινωνίας με τη βόρεια κεραία του σταυρού έχει τοποθετηθεί η μαρμάρινη λειψανοθήκη του οσίου. Είναι το τμήμα του καθολικού που συνδέεται με το ναό της Παναγίας, διευκολύνοντας τη διέλευση των προσκυνητών μπροστά από το λείψανο και την είσοδό τους στο ναό της Παναγίας. Ταυτόχρονα με το καθολικό κτίσθηκε η κρύπτη που έχει σε κάτοψη το σχήμα σταυροειδούς τετρακιόνιου ναού. Στην κρύπτη στεγάζεται ο αρχικός τάφος του οσίου Λουκά, που βρίσκεται στο βόρειο τοίχο, ακριβώς κάτω από το χώρο του καθολικού, όπου τοποθετήθηκε η λειψανοθήκη του οσίου. Δύο ακόμα τάφοι στην κρύπτη ανήκουν σε επιφανείς ηγούμενους του μοναστηριού<ref>http://odysseus.culture.gr/h/2/gh251.jsp?obj_id=1042</ref>.
