22 stycznia 2005 papież Jan Paweł II mianował go arcybiskupem tytularnym Tepelty i jednocześnie sekretarzem pomocniczym Kongregacji ds. Ewangelizacji Narodów oraz przewodniczącym Papieskich Dzieł Misyjnych. Święcenia biskupie otrzymał 19 marca 2005 w kaplicy Papieskiego Kolegium Urbanianum w Rzymie. Udzielił mu ich kardynał Crescenzio Sepe, prefekt Kongregacji Ewangelizacji Narodów, któremu asystowali arcybiskup Stanisław Dziwisz, sekretarz Jana Pawła II, i arcybiskup metropolita Kigali Thaddée Ntihinyurwa. Jako zawołanie biskupie przyjął słowa Maior est Deus (Bóg jest większy).
24 maja 2008 papież Benedykt XVI mianował go biskupem diecezjalnym diecezji warszawsko-praskiej, pozostawiając mu tytuł arcybiskupa. Ingres do Bazyliki Katedralnej św. Michała i św. Floriana w Warszawie, w trakcie którego kanonicznie objął diecezję, odbył 28 czerwca 2008. We wrześniu 2013 media podały, że nie odwołał ani nie ograniczył w posłudze duszpasterskiej podległego mu proboszcza parafii na Tarchominie pomimo ciążących na nim zarzutów prokuratorskich o molestowanie seksualne ministrantów, a także skazującego wyroku sądu pierwszej instancji. Kapłan został odwołany z urzędu dopiero po ujawnieniu sprawy przez media.