Ngày 13 tháng 4 năm 1967, linh mục Phanxicô Xaviê Thuận được Giáo hoàng Phaolô VI bổ nhiệm làm Giám mục chính tòa Giáo phận Nha Trang, kế vị Giám mục Paul Raymond Marie Marcel Piquet Lợi (thuộc MEP). Ông là vị giám mục người Việt Nam đầu tiên đảm nhận chức vụ này. Ngày 24 tháng 6 năm 1967, nhân dịp lễ Thánh Gioan Tẩy Giả, ông được tấn phong giám mục bởi chủ phong là Khâm sứ Tòa Thánh Angelo Palmas, cùng với hai Giám mục khác trong vai trò phụ phong, gồm Tổng giám mục Tổng giáo phận Huế Philípphê Nguyễn Kim Điền và Giám mục Jean-Baptiste Urrutia Thi – Tổng giám mục Hiệu toà Isauropolis, nguyên Đại diện Tông Tòa Địa phận Huế. Khẩu hiệu của tân giám mục là: Gaudium et Spes (Vui Mừng và Hy vọng), lấy từ tên của Hiến chế Mục vụ của Công đồng Vaticanô II.[2]

Ngày 10 tháng 7 năm 1967, tân giám mục Nguyễn Văn Thuận chính thức nhậm chức tại Giáo phận Nha Trang.[5] Trong 8 năm làm giám mục tại đây, ông thành công trong việc phát triển giáo phận: ông quan tâm đến việc đào tạo nhân sự, gia tăng con số các đại chủng sinh từ 42 lên 147, số Tiểu chủng sinh tăng từ 200 lên 500. Ông tổ chức các khóa thường huấn linh mục cho sáu giáo phận thuộc Giáo tỉnh Huế, thành lập và phát triển các hội đoàn giáo dân, phong trào Công giáo tiến hành như: Phong trào Công lý và Hòa bình, Cursillos, Focolare, Hướng đạo, Cộng đoàn La vang, Tu hội Hy Vọng. Ông cho phổ biến nhiều thư với các chủ đề: Tỉnh thức và cầu nguyện vào năm 1968; Vững mạnh trong Ðức tin để Tiến bước trong An bình, năm 1969; Công lý và Hòa bình, năm 1970; Sứ vụ Chúa Kitô là sứ mạng của chúng ta, năm 1971; Kỷ niệm 300 năm vào năm 1971; Năm Thánh Canh tân và Hòa giải, năm 1973. Trong Hội đồng Giám mục Miền Nam Việt Nam, ông từng trải qua nhiều chức vụ khác nhau: Chủ tịch Ủy ban Công Lý và Hòa Bình; Chủ tịch Ủy ban Truyền thông xã hội (1967 – 1975); Chủ tịch Ủy ban Phát triển Việt Nam (1967 – 1975); phụ trách Ủy ban Di dân. Ngoài ra, ông cũng cộng tác trong việc thành lập đài phát thanh Chân Lý Á Châu.[2]

Năm 1970, nhân kỷ niệm 300 năm Giám mục Lambert de la Motte đến Giáo phận Nha Trang, Giám mục Nguyễn Văn Thuận đã thiết lập Chủng viện Lâm Bích.[10]

Trong những cuộc họp, giám mục Thuận có cơ hội gặp gỡ Giáo hoàng Gioan Phaolô II và Tổng giám mục của Cracow, và để học hỏi những kinh nghiệm mục vụ trong giai đoạn khó khăn nhất của Ba Lan dưới chế độ cộng sản. Từ năm 1971 đến năm 1975, ông được chọn làm Cố vấn Hội đồng Giáo hoàng về Giáo dân, Ông cũng được bổ nhiệm làm Cố vấn và thành viên của Bộ Truyền giáo, nhận trách nhiệm đến thăm và giám sát các chủng viện tại một số quốc gia ở châu Phi.[5] Ngoài ra, ông cũng là thành viên của Bộ Phụng Tự và Kỷ luật Bí tích.[2]