Đảo chính chính trị tại Việt Nam Cộng hòa năm 1963 giết chết Tổng thống Ngô Đình Diệm làm Tổng giám mục đô thành Tổng giáo phận Huế Phêrô Máctinô Ngô Đình Thục, anh trai tổng thống không thể trở về Việt Nam khi đang tham gia Công đồng Vatican II.[4] Ngày 30 tháng 9 năm 1964, giám mục Philipphê Nguyễn Kim Điền, Giám mục chính tòa Cần Thơ được Tòa Thánh Vatican thăng hàm Tổng giám mục,[9] điều động giữ chức Giám quản Tông Tòa Giáo phận Huế thay Tổng Giám mục Ngô Đình Thục,[10] Ngày 22 tháng 3 năm 1965,[11] Tòa Thánh bổ nhiệm Linh mục Giacôbê Nguyễn Ngọc Quang giữ chức Giám mục phó Giáo phận Cần Thơ.[12]

Tin tức bổ nhiệm tân giám mục Nguyễn Ngọc Quang bị rò rỉ cho ông Trương Công Cừu và ông này công bố tin này rộng rãi. Chính vì tin đồn này, Tòa Thánh trì hoãn việc phong chức giám mục cho giám mục tân cử. Lễ tấn phong Giám mục cử hành chiều ngày 5 tháng 5 năm 1965 tại Nhà thờ chính tòa Vĩnh Long, dù nơi này đang trong quá trình xây dựng.[4] Phần nghi thức truyền chức được cử hành bởi chủ phong là Tổng giám mục Khâm sứ Tòa Thánh Angelo Palmas, hai giám mục phụ phong là giám mục Antôn Nguyễn Văn Thiện - giám mục chính tòa Giáo phận Vĩnh Long và Tổng giám mục đô thành Tổng giáo phận Sài Gòn Phaolô Nguyễn Văn Bình.[11] Nguyễn Ngọc Quang chính thức nhận chức giám mục phó Cần Thơ ngày sáng hôm sau.[4] Giáo phận Cần Thơ năm 1965 có 71.926 giáo dân, 72 linh mục, 171 nữ tu, 55 đại chủng sinh và 205 tiểu chủng sinh.[13]

Trong khuôn khổ ba ngày cầu nguyện cho hòa bình, giám mục Nguyễn Ngọc Quang dẫn đầu đoàn rước nhân dịp kỷ niệm lễ Công giáo mang tên Lễ Đức Mẹ Lên Trời, ngày 22 tháng 8 năm 1965 tại Nhà thờ chính tòa Cần Thơ.[14][15] Tháng 9 năm 1965, giám mục Nguyễn Ngọc Quang tham gia phiên họp cuối cùng của Công đồng Vatican II.[4] Năm 1966, ông thành lập Tiểu Chủng viện Á Thánh Quý tại Cái Răng và được bầu làm Tổng thư ký Hội đồng Giám mục miền Nam Việt Nam.[3]

Sau khi các bên đình chiến cuộc chiến Tết Mậu Thân năm 1968, theo thống kê có 39 gia đình được hỗ trợ tị nạn tại nhà tĩnh tâm, cạnh bên Tòa giám mục của giám mục Nguyễn Ngọc Quang. Những người dân di tản được Giáo hội Công giáo địa phương hỗ trợ phần lớn là người ngoài Công giáo ra đi vì chiến sự tại các cơ sở tôn giáo: Tiểu chủng viện, nhà thờ, trường học, bệnh viện, trại trẻ mồ côi và hỗ trợ quần áo cũng như thuốc. Theo giám mục Quang không có linh mục và các nữ tu thiệt mạng và không có nhà thờ, tu viện bị phá hủy trong trận chiến này.[16]