Ngày 10 tháng 1 năm 1979, Tòa Thánh tuyên bố bổ nhiệm linh mục Giuse Nguyễn Tùng Cương làm Giám mục chính tòa Giáo phận Hải Phòng, kế vị Giám mục Phêrô Maria Khuất Văn Tạo qua đời tháng 8 năm 1977.[8] Lễ tấn phong giám mục của ông được tổ chức vào ngày 18 tháng 2 năm 1979 tại nhà thờ chính tòa Hà Nội[9] do Tổng giám mục đô thành Tổng giáo phận Hà Nội Giuse Maria Trịnh Văn Căn chủ phong với hai vị phụ phong là giám mục phó Giáo phận Hưng Hóa Giuse Phan Thế Hinh và giám mục Giáo phận Bắc Ninh Phaolô Giuse Phạm Đình Tụng.[10] Ông chính thức về nhận giáo phận Hải Phòng ngày 24 tháng 2 cùng năm.[9] Tân giám mục chọn cho mình khẩu hiệu: Hãy ra khơi. Khẩu hiệu này một số người cho rằng giám mục Cương khuyến khích giáo dân vượt biên bằng đường biển.[11]

Trong thời kỳ quản lý giáo phận Hải Phòng, Nguyễn Tùng Cương tiến hành cho tu sửa phần lớn các nhà thờ trong giáo phận, quan tâm đến việc huấn luyện chủng sinh và tìm tòi hướng đi mới cho Giáo phận trong nhiều mặt khác nhau.[9] Có thời điểm khó khăn, giáo phận chỉ còn 4 linh mục, giám mục Cương đảm nhiệm nhiều vai trò cùng lúc: giám mục chính tòa, linh mục chính xứ nhà thờ chính tòa Hải Phòng, linh mục Quản lý, Thư ký cùng nhiều việc về đối ngoại của giáo phận.[7] Giám mục Nguyễn Văn Sang kể lại kỉ niệm vui giữa ông và Giám mục Cương:[6] "Khi ngài làm Giám mục Hải Phòng, thì tôi cũng đã được Tòa Thánh bổ nhiệm làm Giám mục Thái Bình. Tôi đã chọn ngài là cha linh hướng để bàn hỏi các ý kiến và cùng chia sẻ vui buồn với nhau. Mỗi lần tôi tới thăm ngài, cả hai chúng tôi đều tay bắt mặt mừng, cười nói ầm ĩ, khiến các cha trong nhà cũng phải kháo láo với nhau là: bố già Hải Phòng lại gặp bố già Thái Bình nên mới cười to như vậy."

Từ năm 1980 đến năm 1983, Nguyễn Tùng Cương đảm trách vai trò Tổng Thư ký Hội đồng Giám mục Việt Nam.[2]

Nguyễn Tùng Cương qua đời ngày 10 tháng 3 năm 1999 tại Hải Phòng. Hồng y, Tổng giám mục đô thành Tổng giáo phận Hà Nội Phaolô Giuse Phạm Đình Tụng và linh mục Lôrensô Phạm Hân Quynh – Tổng Đại diện Giáo phận Hải Phòng đã gửi điện sang Rôma báo tin buồn.[8] Lễ an táng cho cố giám mục được tổ chức ngày 15 tháng 3 năm 1999 do Hồng y Phạm Đình Tụng chủ sự.[5] Thi hài ông được an táng tại nhà thờ chính tòa Hải Phòng.[9]

Trong vụ tranh chấp đất đai số 42 Nhà Chung vào năm 2008, nhiều thông tin cho rằng linh mục Nguyễn Tùng Cương, với vai trò Quản lý Nhà Chung đã ký xác nhận đồng ý hiến đất và các cơ sở cho chính quyền. Tuy vậy, giám mục Nguyễn Văn Sang cho rằng chỉ từng thấy bản kê khai các cơ sở tôn giáo và cho biết ông tin rằng thông tin hiến các cơ sở tôn giáo là không đúng sự thật và với vai trò Quản lý Nhà Chung, Nguyễn Tùng Cương không có quyền cho các tài sản của Giáo phận.[12]