Ngày 30 tháng 3 năm 1976, linh mục Giuse Phan Văn Hoa được bổ nhiệm làm giám mục phó Giáo phận Qui Nhơn, danh nghĩa giám mục hiệu tòa Acci.[7] Lễ tấn phong cho tân Giám mục diễn ra trong cùng ngày, với hình thức như một thánh lễ thường ngày trong một bầu không khí đơn giản và khiêm tốn tại Nguyện đường Tiểu chủng viện Qui Nhơn. Tân giám mục chọn cho mình khẩu hiệu Giám mục: "Hiền lành và khiêm nhượng trong lòng", với huy hiệu biểu tượng một con chiên. Việc phong chức này được giám mục chính tòa Huỳnh Đông Các thông báo đến giáo sĩ và giáo dân trong lá thư đề ngày 5 tháng 4 năm 2019.[8]

Ngày 20 tháng 5 năm 1976, giám mục Phan Văn Hoa được Giám đốc công an tỉnh Nghĩa Bình mời đến làm việc và được đối xử hợp lẽ với vai trò một giám mục. Sở Giám đốc công an tỉnh Nghĩa Bình làm việc với ông trong 19 ngày.[9]

Chỉ sau hai tháng làm giám mục, ông bị tai biến mạch máu não,[3] cao huyết áp, và đưa đi điều trị tại bệnh viện Saint Paul Sài Gòn. Đến đầu năn 1977, ông về lại Qui Nhơn điều trị tại Tòa Giám mục.[9]

Từ đó sức khỏe giám mục Phan Văn Hoa yếu dần, việc đi lại ngày một khó khăn và thần kinh trở nên không ổn định, cuối cùng toàn thân bị tê liệt. Từ ngày 1 tháng 10 năm 1987, ông hoàn toàn rơi vào trạng thái hôn mê.[3] Trước đó, khi tình hình tiến triển nặng, ông chấm dứt giữ vai trò chính xứ nhà thờ chính tòa Qui Nhơn, bàn giao lại cho giám mục Huỳnh Đông Các năm 1986.[6]

Ngày 6 tháng 10 năm 1987, giám mục Phan Văn Hoa qua đời lúc 17 giờ 25 phút, thọ 65 tuổi, với 32 năm linh mục và 11 năm cương vị Giám mục Giáo phận Qui Nhơn. Lễ an táng cố giám mục diễn ra 2 ngày sau đó, được tổ chức tại Nhà thờ chính tòa Qui Nhơn do Giám mục Phaolô Huỳnh Đông Các chủ lễ và các linh mục giáo phận. Thi hài ông sau đó được đưa đi an táng tại triền núi phía tây Nghĩa trang liệt sĩ Qui Nhơn. Sau này được cải táng về nghĩa trang các linh mục giáo phận Qui Nhơn tại Tiểu Chủng viện Làng Sông.[9]