Tháng 1 năm 1532 khi đang ở Ý, Cranmer nhận tin ông được bổ nhiệm làm Tổng Giám mục Canterbury, kế nhiệm William Warham. Ông được lệnh quay về nước Anh. Gia đình Anne Boleyn vận động Henry, lúc ấy đang theo đuổi Anne, bổ nhiệm Cranmer vào chức vụ này. Tin lan truyền khắp Luân Đôn khiến nhiều người ngạc nhiên bởi vì cho đến lúc ấy Cranmer ở những vị trí không quan trọng trong Giáo hội.[15] Ngày 19 tháng 11, Cranmer rời Mantua và đến Anh vào đầu tháng 1.[16] Chỉ dụ của Giáo hoàng, văn kiện cần thiết để được bổ nhiệm, đến Anh ngày 26 tháng 3 năm 1533, lễ tấn phong tổng Giám mục cử hành ngày 30 tháng 3 tại Nhà nguyện St Stephen. Trong khi chờ đợi chỉ dụ, Cranmer tiến hành thủ tục hủy hôn bởi vì Anne cho biết mà đã mang thai. Ngày 24 hoặc 25 tháng 1 năm 1533, Henry bí mật kết hôn với Anne trước sự chứng kiến của một ít nhân chứng.[17] Cranmer không biết gì về sự kiện này cho đến hai tuần sau.[18]

Trong những tháng kế tiếp, Cranmer làm việc với nhà vua để thiết lập trình tự pháp lý sao cho vấn đề hủy hôn được xét xử bởi đa số chức sắc cao cấp của giáo hội. Ngày 23 tháng 5, Cranmer mở phiên tòa mời Henry và Catherine đến dự. Gardiner đại diện cho nhà vua; Catherine không đến cũng không cử đại diện. Ngày 23 tháng 5, Cranmer công bố phán quyết hôn nhân giữa Henry và Catherine là nghịch với luật pháp của Chúa.[19] Ngày 28 tháng 5, Cranmer tuyên bố hôn nhân giữa Henry với Anne là hợp pháp. Ngày 1 tháng 6, Cranmer trao vương miện và vương trượng cho Anne.[20] Dù tỏ ra phẫn nộ, Giáo hoàng Clement VII đã không có hành động gì do áp lực của những vương triều khác muốn tránh xảy ra một cuộc ly giáo tại nước Anh. Tuy nhiên, đến ngày 9 tháng 7, Giáo hoàng tạm thời dứt phép thông công Henry và các cố vấn (trong đó có Cranmer) nếu đến cuối tháng 9 Henry không từ bỏ Anne. Henry vẫn công nhận Anne là vợ. Ngày 7 tháng 9, Anne hạ sinh Elizabeth, Cranmer làm lễ rửa tội và nhận làm cha đỡ đầu cho công chúa.[21]

Khó có thể nhận định chính xác về những diễn biến trong quan điểm thần học của Cranmer kể từ khi ông còn ở Cambridge. Rõ ràng là ông vẫn ủng hộ chủ nghĩa nhân văn, và duy trì khoản tiền trợ cấp dành cho Erasmus bắt đầu từ thời Tổng Giám mục Warham.[21] Tháng 6 năm 1533, Cranmer phải thi hành một nhiệm vụ khó khăn: không chỉ kỷ luật mà còn phải chứng kiến vụ hỏa thiêu một nhà cải cách, John Frith, bị kết án tử hình vì bác bỏ quan điểm về bánh và rượu thực sự trở thành thân và huyết của Chúa trong bí tích thánh thể. Cranmer cố thuyết phục Frith thay đổi quan điểm nhưng thất bại.[22] Mặc dù phản bác lập trường cấp tiến của Frith, từ năm 1534 có dấu hiệu Cranmer xa rời Rô-ma và thiết lập một hệ thống thần học mới. Ông ủng hộ lý tưởng cải cách bằng cách dần dà thay thế những thành phần cựu trào tại các giáo phận bằng những người có tư tưởng cải cách như Hugh Latimer.[23] Ông tham dự vào các cuộc tranh luận, ủng hộ những nhà cải cách và làm nản lòng những người muốn duy trì quan hệ với Rô-ma.[24]