Ngày 3 tháng 6 năm 1999, Tòa Thánh bổ nhiệm cùng lúc ba tân giám mục cho Giáo hội Công giáo Việt Nam, cụ thể: linh mục Giuse Trần Xuân Tiếu làm Giám mục phó Long Xuyên, linh mục Phêrô Nguyễn Soạn làm Giám mục chính tòa Giáo phận Qui Nhơn và linh mục Giuse Ngô Quang Kiệt làm Giámm mục chính tòa Giáo phận Lạng Sơn và Cao Bằng[9] – vị giám mục đến năm 2005 trở thành Tổng giám mục Tổng giáo phận Hà Nội.[10]

Lễ tấn phong cho hai tân giám mục xuất thân giáo phận Long Xuyên là Giám mục Trần Xuân Tiếu và Ngô Quang Kiệt được tổ chức vào ngày 29 tháng 6 năm 1999. Phần nghi thức truyền chức chính yếu cho hai tân giam mục được cử hành bởi Chủ phong là Giám mục Gioan Baotixita Bùi Tuần, giám mục chính tòa Long Xuyên và hai vị phụ phong là giám mục Emmanuel Lê Phong Thuận, giám mục chính tòa Giáo phận Cần Thơ và giám mục Giáo phận Thái Bình Phanxicô Xaviê Nguyễn Văn Sang. Lễ phong chức có sự hiện diện của 15 tổng giám mục và giám mục và gần 400 linh mục đồng tế.[11]

Ngày 2 tháng 10 năm 2003, Tòa Thánh chấp thuận đơn xin hồi hưu của Giám mục Gioan Baotixita Bùi Tuần, giám mục chính toà Long Xuyên. Giám mục Tuần hồi hưu, với cương vị giám mục phó, giám mục Trần Xuân Tiếu kế nhiệm chức vụ Giám mục chính tòa Giáo phận Long Xuyên, Việt Nam.[12]

Ngày 1 tháng 5 năm 2010, Giám mục Trần Xuân Tiếu ký sắc lệnh thành lập dòng Mến Thánh Giá Long Xuyên.[13]

Trong hai nhiệm kỳ liên tiếp, kéo dài từ năm 2010 đến năm 2016, Giám mục Tiếu đảm nhận vai trò Chủ tịch Ủy ban Giáo Dân trực thuộc Hội đồng Giám mục Việt Nam.[4]

Ngày 25 tháng 8 năm 2017, Văn phòng Báo chí Tòa Thánh loan tin Giáo hoàng Phanxicô quyết định bổ nhiệm Giám mục Giuse Trần Văn Toản, hiện là Giám mục Phụ tá Giáo phận Long Xuyên, Hiệu tòa Acalisso làm Giám mục Phó Giáo phận Long Xuyên với quyền kế vị. Với quyền kế nhiệm, Giám mục Toản đương nhiên kế vị chức Giám mục chính tòa Giáo phận khi Giám mục Tiếu từ nhiệm hoặc qua đời.[14][15]

Trong thời kỳ giám mục Trần Xuân Tiếu làm Giám mục chính tòa Long Xuyên, ông đã nhiều lần viết kiến nghị với chính quyền trao trả lại cơ sở Đại chủng viện Thánh Tôma cho giáo phận sinh hoạt mục vụ. Đơn kiến nghị được giám mục Tiếu kiên nhẫn hàng năm, cứ vào tháng 3, dịp lễ kính Thánh Giuse viết và gửi đơn. Việc xin lại cơ sở này, có sự góp sức của nguyên giám mục Gioan Baotixita Bùi Tuần, nêu lên ước nguyện tuổi già là xin lại cơ sở này.[16]

Ngày 23 tháng 2 năm 2019, Tòa Thánh loan báo Giáo hoàng đã chấp thuận đơn từ nhiệm của Giám mục Tiếu. Giám mục Phó Giuse Trần Văn Toản đương nhiên kế vị trở thành Giám mục chính tòa Giáo phận Long Xuyên. Trong Tâm Thư cho công bố cùng ngày, Giám mục Tiếu cho biết ông đã cố gắng chu toàn bổn phận của một giám mục trong suốt 20 năm qua, đồng thời có lời cảm tạ đến các thành phần giáo phận đã hỗ trợ ông thi hành sứ vụ.[17]

Trong thời kỳ làm Giám mục, Giám mục Trần Xuân Tiếu quan tâm đến giáo dân bằng cách tổ chức và đào tạo họ. Ngoài ra, về vấn đề các cơ sở tôn giáo, ông cho xây dựng và kiến thiết lại các cơ sở của Giáo phận. Về các hội đoàn và phong trào Công giáo Tiến hành, Giám mục Tiếu đề cao sự thống nhất các hoạt động. Ngoài ra, giám mục Trần Xuân Tiếu cũng được đánh giá rằng có tinh thần đối thoại và cởi mở.[18]

Trong bức thư đầu tiên trong cương vị Giám mục chính tòa Long Xuyên, giám mục Giuse Trần Văn Toản bày tỏ mong mỏi giám mục Tiếu tiếp tục đồng hành cùng giáo phận trong các sự kiện, đồng thời mong muốn tổ chức các dịp kỷ niệm của Giám mục Tiếu như mừng thọ 75 năm, 45 năm linh mục và 20 năm giám mục.[1]

Sáng ngày 16 tháng 3 năm 2019, với lễ kỷ niệm 20 năm giám mục, 45 năm linh mục và thọ 75 tuổi. Buổi lễ được quyết định tổ chức các âm thầm, chủ trương không mời khách, không cử hành các nghi lễ trang trọng. Tham gia đồng tế ngoài giám mục Trần Xuân Tiếu còn có các linh mục, giám mục Trần Văn Toản. Tham dự thánh lễ có một ít giáo dân.[19]