Ngày 3 tháng 6 năm 1999, Tòa Thánh bổ nhiệm linh mục Phêrô Nguyễn Soạn làm Tân giám mục chính tòa, kế vị Giám mục Phaolô Huỳnh Đông Các về hưu, cùng thông báo bổ nhiệm đợt này có Tân Giám mục Giáo phận Lạng Sơn và Cao Bằng Giuse Ngô Quang Kiệt - người đến năm 2005 trở thành Tổng giám mục Hà Nội và Tân Giám mục Phó Giáo phận Long Xuyên Giuse Trần Xuân Tiếu.[5] Lễ tấn phong cho Tân giám mục được cử hành sau đó vào ngày 12 tháng 8 cùng năm, với phần nghi thức chính yếu được cử hành cách trọng thể bởi Chủ phong là Tổng Giám mục đô thành Tổng giáo phận Huế Stêphanô Nguyễn Như Thể và hai vị phụ phong là Giám mục Phaolô Huỳnh Đông Các, nguyên Giám mục Qui Nhơn và Giám mục Phêrô Nguyễn Văn Nho, giám mục Phó Giáo phận Nha Trang.[6]

Năm 2001, Hội đồng Giám mục Việt Nam bầu chọn giám mục Nguyễn Soạn giữ chức Tổng Thư ký nhiệm kỳ 2001 đến năm 2004. Ông tái đắc cử chức vụ này và nắm vai trò Tổng Thư ký đến năm 2007.[2]

Ngày 30 tháng 06 năm 2012, Giáo hoàng Biển Đức XVI chấp nhận đơn từ nhiệm của Giám mục Nguyễn Soạn. Với việc chấp thuận này, Giám mục Phó Qui Nhơn Mátthêu Nguyễn Văn Khôi đương nhiên kế vị ông trở thành Giám mục chính tòa.[7] Từ đây, ông nghỉ hưu tại tòa Giám mục Giáo phận Qui Nhơn, Việt Nam.[1]

Ngày 24 tháng 11 năm 2018, Bộ Truyền giáo gửi điện thư chúc mừng 50 năm thụ phong linh mục của Giám mục Phêrô Nguyễn Soạn. Chưa đầy một tuần sau đó, ngày 30 tháng 11, Giáo hoàng Phanxicô cũng gửi điện thư chúc mừng nhân dịp kỷ niệm này.[8] Lễ đồng tế kỷ niệm 50 năm thụ phong linh mục của Giám mục Soạn được tổ chức vào chiều ngày 21 tháng 12 năm 2018.[9]