Ngày 27 tháng 9 năm 2017, Sứ thần Tòa Thánh tại Hoa Kỳ, Tổng giám mục Christophe Pierre gọi điện đến linh mục Nguyễn Thái Thành để loan tin Tòa Thánh đã chọn ông làm Giám mục phụ tá Giáo phận Orange. Sau khi xin 30 phút suy nghĩ sau khi nhận tin và chấp nhận việc bổ nhiệm. Giám mục Thành cho biết ông bàng hoàng và chao đảo trước thông tin bổ nhiệm khi được Sứ thần báo tin. Vài ngày sau khi chấp nhận tin bổ nhiệm, giám mục chính tòa Giáo phận Orange Kevin Vann gọi đến cho vị tân chức và hỗ trợ ông làm các giấy tờ cần thiết.[5]

Ngày 6 tháng 10 năm 2017, Tôma Nguyễn Thái Thành được Giáo hoàng Phanxicô bổ nhiệm làm Giám mục Phụ tá Giáo phận Orange, Hoa Kỳ.[3] Những cảm xúc đầu tiên, ông cho biết:[4] "Tôi cảm ơn Chúa vì món quà về chức vị tư tế. Tôi yêu cuộc sống và nhiệm vụ của giáo hội. Tôi đã tìm thấy cả hai thách thức và lợi ích, "thêm rằng đó là" một trách nhiệm tuyệt vời để trở thành Chúa Kitô-giống như với những người được ủy thác cho tôi như là người lãnh đạo tinh thần của họ."[4] Trong cùng ngày, Walter Erbi, Tham mưu của Tòa Khâm sứ ở Hoa Kỳ tại Washington, D.C, công bố; và ngày 6 tháng 10 tại Tòa Giám mục giáo phận Orange cũng cuộc họp báo để công bố tin này.[6] Giám mục Giáo phận St Augustine Felipe Estévez cho biết ông đã biết được việc bổ nhiệm linh mục Thành làm Giám mục vào ngày 27 tháng 9.[6]

Lễ tấn phong cho vị tân giám mục được cử hành sau đó vào ngày 19 tháng 12 cùng năm, với phần nghi thức truyền chức chính yếu được cử hành bởi Chủ phong là Giám mục Kevin Vann, Giám mục chính tòa Giáo phận Orange và hai giám mục khác phụ phong, gồm Giám mục Felipe De Jesus Estevez, Giám mục chính tòa Giáo phận St Augustine và Giám mục Robert J. Baker, Giám mục chính tòa Giáo phận Birmingham, bang Florida. Ngoài ba vị truyền chức chính yếu, thánh lễ tấn phong tân giám mục còn có sự hiện diện của Hồng y Roger M. Mahony và Hồng y William Joseph Levada, cùng với hơn 40 Giám mục, Viện phụ, Giám tỉnh, Bề Trên một số dòng tu, hơn 160 linh mục Mỹ, Mexico và Việt Nam cùng 3 Phó Tế, thành phần tham dự còn có nhiều giáo dân Việt Nam từ khắp nơi tại Hoa Kỳ.[7]