Ngày 24 tháng 11 năm 1960, Giáo hoàng Gioan XXIII ban hành Tông Hiến Venerabilium Nostrotrum thành lập Hàng Giáo phẩm Việt Nam. Từ đây, Giáo hội Công giáo Việt Nam gồm ba Giáo tỉnh: Giáo tỉnh Hà Nội, Giáo tỉnh Huế và Giáo tỉnh Sài Gòn.[26] Việc chia tách giáo phận Long Xuyên làm cho địa giới của giáo phận Cần Thơ trở nên nhỏ lại so với thời kỳ còn là Địa phận.[15] Cùng với Long Xuyên, Tòa Thánh cũng thành lập các giáo phận mới khác là giáo phận Mỹ Tho và giáo phận Đà Lạt.[26]

Trong cùng ngày, Tòa Thánh báo tin giáo hoàng quyết định chọn linh mục Philípphê Nguyễn Kim Điền làm Giám mục chính tòa Tiên khởi của Giáo phận Cần Thơ thay thế vị giám mục cũ tại đây là Phaolô Nguyễn Văn Bình được chọn làm Tổng giám mục đô thành Tổng giáo phận Sài Gòn.[27][28] Việc đề cử linh mục Nguyễn Kim Điền lên chức giám mục do chính giám mục Bình đề cử.[15] Linh mục Nguyễn Kim Điền nhận được điện thư báo tin được chọn làm giám mục khi đang đánh bắt cá ven sông. Trong bút kí đề ngày 8 tháng 12 năm 1960, giám mục tân cử Nguyễn Kim Điền viết:[3]"Hôm nay tôi báo cho anh chị em biết một tin buồn: tôi được chọn làm giám mục Cần Thơ thế Đức Cha Bình trở thành Tổng giám mục Sàigòn, vì Hội đồng Giám mục được thiết lập tại Việt Nam... Một Tiểu Đệ được chọn làm giám mục. Chân thành mà nói tôi khổ tâm và không thể hiểu nổi. Đại diện giáo quyền nói rằng tôi không thể khước từ. Tôi xin chấp nhận sứ mệnh này như lời mời đón nhận Thánh Giá..." Trong dịp này, một nhà báo hỏi Nguyễn Kim Điền rằng ông có bằng cấp ra sao để có thể được chọn làm giám mục, tân giám mục vui vẻ trả lời rằng ông có bằng xích lô đạp.[14]

Lễ tấn phong giám mục cho tân giám mục Nguyễn Kim Điền được tổ chức tại địa điểm vườn hoa cuối Nhà thờ Đức Bà Sài Gòn, với mặt tiền khán đài hướng ra đường Tự Do[29] vào ngày 22 tháng 1 năm 1961, cùng với 3 tân giám mục khác.[30] Chủ phong trong nghi thức truyền chức giám mục là Tổng giám mục Tổng giáo phận Huế Phêrô Máctinô Ngô Đình Thục và hai vị phụ phong là giám mục Jean Cassaigne Sanh, M.E.P., nguyên Đại diện Tông Tòa Hạt Đại diện Tông Tòa Sài Gòn và giám mục Tađêô Lê Hữu Từ, nguyên Đại diện Tông Tòa Hạt Đại diện Tông Tòa Phát Diệm.[31] Philípphê Nguyễn Kim Điền là một trong những người trẻ tuổi nhất của Giáo hội Công giáo Việt Nam được tấn phong giám mục, lúc đó ông 40 tuổi.[12]

Sau khi được tấn phong tại Sài Gòn, tân giám mục Nguyễn Kim Điền đã cử hành các nghi thức nhận giáo phận Cần Thơ vào ngày 3 tháng 4 năm 1961.[15] Thời kỳ làm giám mục Cần Thơ, ông đã thay đổi về nhiều mặt của giáo phận này. Về mặt cơ sở, ông quyết định cho di dời cơ sở Tiểu chủng viện Á thánh Quý từ Khánh Hưng về Cái Răng vào giữa tháng 12 năm 1961 và định chỗ trên mảnh đất vị tiền nhiệm Phaolô Nguyễn Văn Bình đã mua trước đó. Ngoài ra, giám mục Điền cho xây dựng công trình nhà hưu dưỡng linh mục giáo phận. Quan tâm đến các dòng tu, tháng 3 năm 1960, 3 tu sĩ dòng Tiểu Đệ từ Bình Thủy về Xóm Chài, đối diện Nhà thờ chính tòa Cần Thơ. Riêng về dòng các nữ tu do giám mục Bình thành lập, giám mục Điền đặt tên cho dòng này là Dòng Mến Thánh giá Khánh Hưng, là dòng thuộc quyền giáo phận Cần Thơ. Nhằm huấn luyện các nữ tu của dòng mới, ông mời các nữ tu dòng Mến Thánh giá Đà Lạt và Hà Nội trợ giúp. Ông cũng thiếp lập dòng ba Phanxicô tại Nhà thờ chính tòa cũng như Giáo xứ Đại Hải.[15]

Về vấn đề tôn giáo, giám mục Nguyễn Kim Điền cho lập Nhà Tu sĩ truyền giáo tại Cái Khế,[15] đồng sáng lập Đệ tử viện truyền giáo cùng giám mục Giuse Trần Văn Thiện (giáo phận Mỹ Tho),[32] đồng thời thiết lập nhiều họ đạo tại Cần Thơ và các vùng phụ cận. Nhằm thay thế linh mục Antôn Nguyễn Văn Thiện, nguyên Tổng đại diện được cử làm giám mục, ông bổ nhiệm linh mục Cyprianô Nguyễn Thạnh Mậu làm tân Tổng đại diện. Giám mục Nguyễn Kim Điền đến Thành phố Sài Gòn để tìm kiếm và thuyết phục các linh mục và tu sĩ di cư từ miền Bắc gia nhập giáo phận Cần Thơ. Giám mục Điền thu được kết quả một phần vì khả năng thuyết giảng, thuyết minh phim đã làm ấn tượng các giáo sĩ. Tổng cộng có hơn 20 linh mục quyết định gia nhập giáo phận Cần Thơ. Cuối tháng 5 năm 1961, ông phong chức linh mục cho 4 phó tế đầu tiên của Giáo phận Cần Thơ.[15] Là một giám mục Công giáo có tư duy tách khỏi sự ảnh hưởng của chính quyền Ngô Đình Diệm, khi đi thăm mục vụ, Nguyễn Kim Điền từ chối sự bảo vệ của xe quân sự, thường tự lái xe 2 CV hoặc đi cùng vị thư ký. Việc này được ghi nhận trên tờ báo Informations Catholiques Internationales số ngày 15 tháng 3 năm 1963.[33]

Giám mục Nguyễn Kim Điền cũng là một nghị phụ tham dự đầy đủ 4 giai đoạn của Công đồng Vatican II diễn ra từ năm 1962 đến năm 1965.[31] Ông là một trong 17 vị giám mục Công giáo Việt Nam tham gia Công đồng này.[34] Từ năm 1964, từ khi Tòa Thánh thuyên chuyển giám mục Điền đến Tổng giáo phận Huế làm Giám quản Tông Tòa thì linh mục Tổng đại diện Cyprianô Nguyễn Thạnh Mậu được trao quyền điều hành, quản lý giáo phận Cần Thơ.[15]