Ngày 15 tháng 10 năm 2008, ở tuổi 65, ông được giáo hoàng Biển Đức XVI bổ nhiệm làm Giám mục phụ tá giáo phận Hà Nội.Cùng trong đợt bổ nhiệm này, Tòa Thánh cũng bổ nhiệm Tân giám mục Phụ tá Tổng giáo phận Thành phố Hồ Chí Minh Phêrô Nguyễn Văn Khảm.[4][5], giám mục hiệu tòa Thinisa in Numidia.[6] Thư của Tòa Giám mục Hà Nội do Tổng giám mục Kiệt ấn kí đề ngày 18 tháng 10 loan báo cho giáo dân Tổng giáo phận Hà Nội biết tin này. Giám mục Kiệt cho rằng:Tình thương yêu chăm sóc của Chúa một lần nữa được biểu lộ qua việc Tòa Thánh bổ nhiệm cha Lôrensô làm Giám mục Phụ tá Tổng Giáo phận Hà Nội.[7]

Lễ Tấn phong giám mục của ông diễn ra ngày 05 tháng 12 năm 2008 tại Nhà thờ Quảng Trường Nam Định, chủ sự và chủ phong cho ông là Tổng giám mục đô thành Tổng giáo phận Hà Nội Giuse Ngô Quang Kiệt, phụ phong cho ông là Tổng giám mục đô thành Tổng giáo phận Huế Stêphanô Nguyễn Như Thể và nguyên giám mục phụ tá Hà Nội Phaolô Lê Đắc Trọng. Giám mục Phaolô Lê Đắc Trọng là nghĩa phụ của Tân Giám mục.[8]

Ngày 6 tháng 12 năm 2018, ông đã đồng tế cùng Nguyên Giám mục Giáo phận Phát Diệm cùng đông đảo linh mục của Tổng giáo phận Hà Nội nhằm kỷ niệm 10 năm chịu chức Giám mục. Tham dự lễ tạ ơn này có Hồng y Phêrô Nguyễn Văn Nhơn, nguyên Tổng giám mục đô thành Hà Nội cùng đông đảo chủng sinh, tu sĩ và giáo dân.[9]

Ngày 26 tháng 1 năm 2019, Giáo hoàng chấp thuận đơn từ nhiệm của Giám mục Minh.[10]Ngày 1 tháng 6 năm 2019, Tổng giám mục Giuse Vũ Văn Thiên tham gia lễ bế giảng Khoa Thần học tại Đại chủng viện Thánh Giuse Hà Nội. Nhân dịp này, giám mục Thiên bổ nhiệm Ban giám đốc mới của Đại chủng viện, kế nhiệm giám mục Chu Văn Minh. Cụ thể, linh mục Brunô Phạm Bá Quế làm Giám đốc và linh mục Giuse Nguyễn Văn Diễm làm phó Giám đốc.[11]