Ngày 23 tháng 3 năm 1994, Toà Thánh tuyên bố quyết định thuyên chuyển giám mục giáo phận Đà Lạt Nguyễn Sơn Lâm về làm giám mục chính tòa Giáo phận Thanh Hóa.[10] Ngày 24 tháng 6 năm 1994, ông chính thức về nhận nhiệm sở mới.[3]Lễ nhậm chức đồng tế bởi 15 giám mục, 200 linh mục và với sự tham gia của hơn 30.000 giáo dân.[42] Việc bổ nhiệm này là lần đầu tiên một giáo sĩ miền Nam ra miền Bắc cai quản một giáo phận. Một đoàn gồm 10.000 người đã tiếp đón tân giám mục Thanh Hóa nhậm chức, cùng một số giám mục miền Nam và đầy đủ các giám mục miền Bắc. Ngay trong ngày tiếp quản giáo phận, ông đã thực hiện việc truyền chức linh mục cho 12 chủng sinh tốt nghiệp vào tháng 5.[12] Nhiều linh mục Đà Lạt quyết định chuyển ra Thanh Hóa cùng giám mục Nguyễn Sơn Lâm để hỗ trợ việc quản trị giáo phận mới.[40] Viết trong hồi ký của mình, giám mục Phaolô Lê Đắc Trọng ghi lại lời báo của nhân viên bộ nội vụ cho Tổng giám mục Hà Nội Phaolô Giuse Phạm Đình Tụng: Cụ có biết ông Lâm ra Thanh Hóa để làm bàn đạp lên Hà Nội không?'.[33]

Sau khi chính thức nhậm chức Giám mục Thanh Hóa, giám mục Nguyễn Sơn Lâm tiến hành tổ chức các chuyến đi mục vụ (kinh lý) các giáo xứ thuộc Giáo phận. Các chuyến viếng thăm này giúp giám mục Lâm nhận định được tình hình khó khăn, cả về cơ sở tôn giáo lẫn đời sống giáo dân.[43] Giáo phận Thanh Hóa thời điểm giám mục Lâm nhậm chức chỉ còn 13 linh mục, các cơ sở tôn giáo như Nhà thờ Chính tòa, Tòa giám mục, các nhà thờ giáo xứ, giáo họ đều hoang tàn.[42]

Trong thời gian cai quản giáo phận, Nguyễn Sơn Lâm góp phần cải thiện đời sống tinh thần cho giáo dân giáo phận Thanh Hóa.[7] Ông quan tâm cải thiện cả về đởi sống tôn giáo lẫn đời thường. Một số công tác xã hội có thể kể đến là mời chuyên gia thánh nhạc và giáo lý để đào tạo ca viên và giáo lý viên, xin học bổng từ Enfants du Mekong cho trẻ em nghèo và cho khai triển quỹ hỗ trợ các gia đình nghèo khó phát triển kinh tế,...[42] Ông cũng chú tâm đến công tác đào tạo linh mục cho giáo phận này.[12] Kết quả, trong chín năm đảm nhận vai trò Giám mục Thanh Hóa, ông đã cải thiện con số 13 vị lúc nhậm chức lên con số 47 vị vào năm 2003.[42] Ngoài ra, ông xây dựng cơ sở vật chất như Tòa giám mục,[44] củng cố Đại chủng viện Vinh Thanh[40] nhà Dòng Mến Thánh Giá, nhà thờ các giáo xứ và các giáo họ. Ông cũng cải thiện đời sống tinh thần, đời sống đạo đức và đời sống vật chất cho giáo dân trong Giáo phận.[44] Giám mục Lâm chú trọng nhắc nhở giáo dân về vấn đề từ thiện xã hội bác ái và truyền giáo, nhắc nhở các tu sĩ, linh mục về vấn đề mục vụ hàng tháng tại Tòa giám mục thông qua hình thức tĩnh tâm.[43] Hướng đến dịp kỷ niệm 75 năm thành lập, giám mục Lâm cho điều tra tổng số giáo hữu trong giáo phận năm 2000.[45]

Từ ngày 19 tháng 4 đến ngày 15 tháng 5 năm 1998, Giám mục Nguyễn Sơn Lâm là thành viên Thượng Hội đồng Giám mục Á Châu, nhóm họp tại Rôma.[42]

Trong thời kỳ này, giám mục Lâm còn giữ nhiều chức vụ quan trọng trong Hội đồng Giám mục Việt Nam như: Chủ tịch Ủy ban Phụng Tự của Hội đồng Giám mục Việt Nam từ khóa III đến khóa V từ năm 1986 đến năm 1995 và Tổng Thư ký Hội đồng Giám mục Việt Nam khóa VI và VII, kéo dài từ năm 1995 đến năm 2001.[46] Với vai trò Chủ tịch Ủy ban Phụng tự, Nguyễn Sơn Lâm đôn đốc việc hoàn thành và xuất bản sách lễ Rôma, xin chuẩn nhận bản dịch Các Giờ kinh Phụng vụ. Với vai trò Tổng Thư ký Hội đồng Giám mục, ông soạn thảo nhiều văn thư tài liệu và tham dự nhiều Hội nghị quốc tế có liên quan.[47] Thời kỳ đảm trách các vai trò trong Hội đồng Giám mục, ông liên tục và vận động cho hợp thức hóa "Bản tin Hiệp Thông" - bản tin được định nghĩa là tiếng nói của Hội đồng Giám mục. Giấy phép cho bản tin này được cấp vào cuối tháng 7 năm 2001, với số lượng được xuất bản là 100. Ông từng tham gia bốn chuyến viếng thăm Ad Limina trong suốt thời gian làm giám mục vào các năm 1980, 1990, 1996 và 2002.[42]

Một số người trong và ngoài nước không đánh giá cao giám mục Nguyễn Sơn Lâm, điều này làm ông cô đơn vì bị hiểu lầm và xa lánh. Để giải thích về những điều mà dư luận đồn đại, đặc biệt là để phản bác bài tường thuật lời phát biểu của giám mục Lâm chưa đúng sự thật khiến nhiều người chỉ trích, ông quyết định viết tập hồ sơ và di chúc. Tuy vậy, những bản thảo trên đã bị đánh cắp.[47] Giám mục Lâm quan niệm: "Tôi không làm giám mục để được lòng dân, tôi cũng không làm giám mục để làm vừa lòng các nhà báo, tôi làm giám mục để đem lại lợi ích cho dân Chúa", và ngăn cản những người có ý định đứng ra bênh vực cho ông vì cho rằng việc này có thể tạo nên sự chia rẽ.[40]

Nguyễn Sơn Lâm qua đời ngày 9 tháng 6 năm 2003.[3] Cái chết của ông được nhận định là gây bất ngờ vì cố giám mục chỉ mắc bệnh tim và đang chữa bệnh trước khi qua đời.[47] Nghi thức tẩm liệm thi hài cố giám mục Bartôlômêô Nguyễn Sơn Lâm được tổ chức vào 15 giờ ngày 10 tháng 6. Sau khoảng thời gian để các đoàn thể đến viếng thăm, lễ an táng cố giám mục được cử hành vào 8 giờ sáng ngày 13 tháng 6 cùng năm.[48][49] Lễ an táng cố giám mục Lâm có sự tham dự của 20 giám mục, giám quản, viện phụ và gần 500 linh mục cùng đông đảo giáo dân trong đeo khăn tang, tu sĩ cùng nhân thân nhân và bằng hữu.[40] Thi hài ông được an táng tại Nhà thờ chính tòa Thanh Hóa.[3]