Ngày 25 tháng 8 năm 2017, Giáo hoàng Phanxicô bổ nhiệm linh mục Louis Nguyễn Anh Tuấn làm giám mục phụ tá Tổng giáo phận Thành phố Hồ Chí Minh. Ông trở thành giám mục phụ tá thứ hai của Tổng giáo phận này dưới thời Tổng giám mục Phaolo Bùi Văn Đọc.[7][14] Tổng giáo phận Thành phố chính thức viết thông báo đến giáo dân tin bổ nhiệm này ngay trong ngày 25 tháng 8, do linh mục Tổng đại diện Inhaxiô Hồ Văn Xuân ấn ký.[15] Trong bản tin cùng ngày, Toà Thánh cũng loan tin bổ nhiệm giám mục phụ tá giáo phận Long Xuyên Giuse Trần Văn Toản làm giám mục phó giáo phận này.[16][17]

Giám mục Nguyễn Anh Tuấn được biết trước tin này không lâu, và cho biết mình ngỡ màng, vui mừng, hãnh diện và lo âu khi tin tức bổ nhiệm chính thức được công bố.[13] Trong cuộc phỏng vấn dành cho báo Công giáo và Dân tộc, khi nói về khó khăn trong vai trò giám mục khi tân giám mục Nguyễn Anh Tuấn chưa từng đảm nhận vai trò linh mục chính xứ trong thời gian làm linh mục, ông cho rằng kinh nghiệm về mục vụ gia đình sẽ giúp đỡ ông. Nói về khó khăn của những gia đình Công giáo, tân giám mục cho rằng đó là sự thế tục hóa và chủ nghĩa tương đối đã loại Thiên Chúa ra khỏi đời sống khỏi cuộc sống con người. Nói về vấn đề quan tâm đến chủ đề mục vụ gia đình trong giai đoạn khi đã trở thành giám mục, giám mục Nguyễn Anh Tuấn cho biết ông vẫn quan tâm hàng đầu đến lĩnh vực này, nhưng với tầm nhìn xa hơn phạm vi giáo phận mà là phạm vi toàn thể giáo hội Công giáo tại Việt Nam.[13]

Khẩu hiệu giám mục Nguyễn Anh Tuấn chọn chọn là: "Này con đây" (Hic ergo sum) (Isaia 6, 8). Hình ảnh huy hiệu được ông giải nghĩa đơn giản: thánh giá tượng trưng cho Sự phục sinh của Giêsu, màu xanh da trời tượng trưng cho Đức Mẹ Hòa Bình, hình ảnh hai trái tim đại diện cho tình yêu đới với các gia đình, trong khi hình ảnh các nhánh lúa đại diện tình yêu của người độc thân thánh hiến. Ngoài ra, màu xanh lá mạ đại diện cho việc lữ hành đường Hy vọng.[8]

Tối ngày 8 tháng 10 năm 2017, lễ tuyên thệ trung thành của tân giám mục được cử hành. Cùng tham dự chính có Giám mục phụ tá Giuse Đỗ Mạnh Hùng và Linh mục Inhaxiô Hồ Văn Xuân – Tổng đại diện.[18] Lễ truyền chức giám mục được cử hành vào sáng ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trung tâm Mục vụ Tổng giáo phận Thành phố Hồ Chí Minh. Chủ sự nghi thức truyền chức là Tổng giám mục Tổng giáo phận Thành phố Hồ Chí Minh Phaolô Bùi Văn Đọc, hai vị phụ phong gồm giám mục giáo phận Mỹ Tho Phêrô Nguyễn Văn Khảm và giám mục giáo phận Đà Nẵng Giuse Đặng Đức Ngân.[19] Tham gia và đồng tế lễ truyền chức ngoài chủ tế là Tổng giám mục Đọc, còn có 2 Hồng y, 36 Giám mục và trên 300 linh mục, 4.000 người bao gồm gồm Tu sĩ và Giáo dân.[11] Báo Công giáo và Dân tộc ước tính tổng cộng có 5.000 người tham gia buổi lễ này. Nêu lý do việc cử hành lễ vào buổi sáng, giám mục Tuấn cho biết ông quan niệm Lúc bình minh một ngày là thời điểm mát mẻ và khô tạnh, tâm hồn an tĩnh thuận lợi cho cầu nguyện tạ ơn.[10]

Sau nghi lễ tấn phong, giám mục Nguyễn Anh Tuấn cử hành lễ tạ ơn của mình tại ba nhà thờ khác nhau: Nhà thờ Đức Bà Sài Gòn vào chiều ngày 15 tháng 10, nhà thờ Tân Định vào chiều ngày 16 và chiều ngày 17 tháng 10 tại Nhà thờ chính tòa Đà Nẵng. Sau đó, ông cử hành lễ tạ ơn với các linh mục đồng khoá (khoá 3 Đại chủng viện Thánh Giuse Sài Gòn) tại Phòng nguyện Nhà hành hương Tổng giáo phận Sài Gòn tại Bãi Dâu, Vũng Tàu vào sáng ngày 19 tháng 10 nằm 2017.[20] Ngày 23 tháng 10, ông chủ sự lễ mừng bổn mạng Trung tâm Mục vụ Tổng giáo phận Thành phố Hồ Chí Minh. Tại buổi nói chuyện này, ông chia sẻ về con đường tu trì của mình, mục vụ gia đình và những lo lắng về đời sống đạo trong thời đại ngày nay.[21]

Các giám mục Việt Nam từ 27 giáo phận họp Đại hội XIV Hội đồng Giám mục Việt Nam tại trung tâm Mục vụ Giáo phận Hải Phòng vào cuối tháng 9 và đầu tháng 10 năm 2019. Trong khuôn khổ đại hội, các giám mục đã sắp xếp và bầu chọn nhân sự trong hội đồng. Kết quả, các giám mục chọn Giám mục Nguyễn Anh Tuấn đảm trách vai trò Chủ tịch Uỷ ban Mục vụ Di dân thuộc Hội đồng Giám mục trong nhiệm kỳ 2019 - 2022.[4]

Trên cương vị Chủ tịch Uỷ ban Mục vụ Di dân, Giám mục Nguyễn Anh Tuấn ấn ký thư mục vụ gửi cho những di dân trong bối cảnh dịch bệnh Covid-19 ngày 11 tháng 4 năm 2020. Đầu thư, Giám mục Tuấn nêu lên thực trạng số người nhiễm bệnh và tử vong qua những số liệu, những hoạt động đóng góp, hỗ trợ người khó khăn trong tình hình dịch bệnh trong và ngoài Việt Nam. Giám mục Tuấn đánh giá những hoạt động thiện nguyện trên là đáng quý và cần lan toản, tuy vậy ông cho rằng cần quan tâm đến những người di dân trong bối cảnh dịch bệnh, vì sự thiếu thốn và khó khăn, họ có thể sẽ đánh mất sự lương thiện. Vì nhận định này, Giám mục Tuấn đại diện ủy ban nêu một số đề nghị: các linh mục phụ trách di dần cần quan tâm đến các giáo dân từ giáo phận đang kiếm sống ngoài giáo phận, liên hệ với các tổ chức Caritas giáo phận để hỗ trợ họ; các linh mục và tu sĩ ở ngoài Việt Nam tìm kiếm các người cần hỗ trợ và tận dụng nguồn tài trợ từ các tổ chức xã hội; giáo dân quan tâm và đóng góp hỗ trợ.[22]