Ngày 15 tháng 12 năm 1989, Tòa Thánh loan tin bổ nhiệm linh mục Giuse Maria Nguyễn Quang Tuyến làm Giám mục Phó Giáo phận Bắc Ninh. Lễ Tấn phong cho Tân giám mục được cử hành sau đó vào ngày 25 tháng 1 năm 1989. Tháng 8 năm 1994, ông được kế vị làm Giám mục chính tòa Giáo phận Bắc Ninh thay cho người tiền nhiệm là Giám mục Phaolô Giuse Phạm Đình Tụng vừa được bổ nhiệm làm Tổng Giám mục Tổng giáo phận Hà Nội.[2] Ông là giám mục Giáo phận Bắc Ninh đầu tiên xuất thân từ chính giáo phận này.

Ngày 21 tháng 7 năm 2006, ông chia tay giáo dân giáo phận để đi chữa bệnh.[3] Ông qua Hoa kỳ tham dự Ðại Hội Thánh Mẫu tại Dòng Ðồng Công vào tháng 8 năm 2006 và sau đó đã đến Portland Oregon để chữa bệnh trong 2 tuần.

Các bác sĩ giải phẫu bướu ở bụng cho ông 19 tháng 9, sau đó ông đã tỉnh và đi lại được. Nhưng đến ngày 21 tháng 9 thì ông lên cơn sốt nặng và bị hôn mê. Khám nghiệm sau cho biết lý do qua đời vì bị ung thư máu.[4]