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 tại Tiểu chủng viện Hoan Thiện, Huế.[14] Nghi thức truyền chức được cử hành bởi chủ phong là Khâm sứ Tòa Thánh tại Việt Nam, Lào và Campuchia Angelo Palmas, cùng với hai vị khác trong vai trò phụ phong, gồm Tổng giám mục Tổng giáo phận Huế Philípphê Nguyễn Kim Điền và Tổng 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.[8] Với độ tuổi chỉ là 39, ông là một trong số các giám mục Việt Nam trẻ tuổi được tấn phong trong giai đoạn từ năm 1960 đến năm 1975.[25]

Ngày 10 tháng 7 năm 1967, tân giám mục Nguyễn Văn Thuận chính thức nhậm chức tại Giáo phận Nha Trang.[19] 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.[26] 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.[8] Ông cũng cho thiết lập Hội đồng Giáo dân từ Giáo xứ lên Giáo phận, hình thành và phát triển Trung tâm Văn hóa Chàm tại Phan Rang (1968).[7]

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.[14][8] Giám mục Thuận thuyết trình đề tài Các vấn đề chính trị tại Á Châu và những Giải pháp liên hệ trong khuôn khổ Hội nghị Liên Hội đồng Giám mục Á châu họp tại Manila, Philippines vào ngày 24 tháng 11 năm 1970.[8] 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. Tên đầy đủ của chủng viện là Chủng viện Truyền giáo Lâm Bích, trong đó Lâm Bích là tên Giám mục Thuận Việt Hóa từ tên gốc Lambert của vị giám mục truyền giáo.[27]

Cuối tháng 3 năm 1971, các giáo sĩ Công giáo đến từ bốn quốc gia: Việt Nam, Nhật Bản, Hàn Quốc và Trung Quốc tổ chức một cuộc họp với mục đích thúc đẩy sự đoàn kết của các Giáo hội Công giáo tại các quốc gia này, phát triển Thần học Á Châu. Giám mục Nguyễn Văn Thuận, cùng Tổng giám mục Nguyễn Văn Bình - Chủ tịch Hội đồng Giám mục miền Nam Việt Nam tham gia cuộc họp này. Tham gia cuộc họp này phần lớn là Chủ tịch các Hội đồng giám mục các quốc gia tham dự: Giuse Quách Nhã Thạch (Trung Quốc), Paul Yashigoro Taguchi (Nhật Bản), Stephen Kim Sou-hwan (Hàn Quốc) cùng 1 vị giám mục khác, thuộc mỗi quốc gia. Giám mục Giáo phận Hồng Kông Phanxicô Xaviê Từ Thành Bân chủ sự cuộc họp.[28] Ngày 18 tháng 11 cùng năm, Giáo hoàng Phaolô VI đã gửi thư cho Giám mục Thuận nhân dịp kỷ niệm 300 năm giám mục Tông Tòa đầu tiên đặt chân đến vùng đất thuộc giáo phận Nha Trang.[29]

Từ năm 1971 đến năm 1975 (hoặc đến 1978[30]), ông được chọn làm Cố vấn Hội đồng Giáo hoàng về Giáo dân. Trong giai đoạn này, ông cũng có dịp học tập kinh nghiệm của Tổng giám mục Cracow, Ba Lan về sinh hoạt mục vụ với chế độ Cộng sản. Vị Tổng giám mục này sau này là Giáo hoàng Gioan Phaolô II.[31] 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.[19] Ngoài ra, ông cũng là thành viên của Bộ Phụng Tự và Kỷ luật Bí tích.[14] Tháng 7 năm 1951, Giáo hoàng Phaolô VI thành lập Hội đồng Giáo hoàng Đồng Tâm (Cor Unum), một hội đồng phối hợp với các cơ quan từ thiện Công giáo nhằm hỗ trợ các dự án phát triển nhân bản với phạm vi toàn thế giới. Hội đồng này hỗ trợ Việt Nam thông qua tổ chức Hợp tác để Tái thiết Việt-Nam (Cooperation for the Reconstruction of Viêtnam, viết tắt là COREV. Tổ chức này hình thành nhờ sự hợp tác của Hội đồng Giám mục miền Nam Việt Nam và Giám mục các quốc gia khác. Giám mục Nguyễn Văn Thuận, với cương vị Chủ tịch Ủ ban Phát triển trược thuộc Hội đồng Giám mục miền Nam Việt Nam được trao trọng trách điều hành COREV. Việc điều hành nà thực tế đã gây cản trở việc quản lý Giáo phận Nha Trang của giám mục Thuận. Nguyễn Văn Thuận thường phải đi lại giữa Sài Gòn và Nha Trang, do trụ sở tổ chức tọa lạc tại Sài Gòn. Giám mục Thuận thường xuyên xin ý kiến các giám mục khác, dù Hội đồng Giám mục đã trao toàn quyền quyết định cho ông. Tổ chức đã hỗ trợ nhiều dự án xây nhà, cất trường,... tại Việt Nam.[7]

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.[14][30]