Ngày 17 tháng 5 năm 2005, Tòa Thánh loan tin Giáo hoàng bổ nhiệm linh mục Kevin Vann làm Giám mục phó Giáo phận Fort Worth.[4] Một ngày trước lễ tấn phong tân giám mục Vann, giám mục chính tòa Fort Worth Joseph Patrick Delaney đột ngột từ trần, với vai trò Giám mục phó, Giám mục Vann lập tức kế nhiệm chức Giám mục chính tòa. Biến cố này khiến buổi lễ truyền chức tân giám mục Vann trở thành lễ nhậm chức của vị giám mục chính tòa thứ ba của Fort Worth.[5][6]

Lễ tấn phong tân giám mục Vann được cử hành vào ngày 13 tháng 7 năm 2005, với phần nghi thức truyền chức được cử hành bởi Tổng giám mục José Horacio Gómez Velasco, Tổng giám mục Trưởng Giáo tỉnh San Antonio, Texas và hai vị phụ phong, gồm Tổng giám mục Trưởng Giáo tỉnh Saint Louis Raymond Leo Burke và Giám mục George Joseph Lucas, Giám mục chính tòa Giáo phận Springfield, Illinois.[3] Việc nhậm chức giám mục chính tòa chỉ một ngày sau khi vị tiền nhiệm đột ngột từ trần khiến không khí buổi lễ truyền chức buồn vui lẫn lộn. Giám mục Vann cho biết ông chưa có kế hoạch sẵn sàng trong vai trò mới là giám mục chính tòa.[7]

Ngày 21 tháng 9 năm 2012, Tòa Thánh thông báo quyết định thuyên chuyển Giám mục Kevin Vann làm Giám mục chính tòa Giáo phận Orange, California kế nhiệm Giám mục Tod D. Brown về hưu.[8] Ông chính thức nhận chức vào ngày 10 tháng 12 cùng năm.[3]

Ngoài tiếng Anh, ông có thể nói tiếng Việt và tiếng Tây Ban Nha.[9]