Ngày 4 tháng 11 năm 2010, Giáo hoàng Biển Đức XVI bổ nhiệm ông làm tổng giám mục hiệu tòa Cesarea tại Mauretania. Trong công nghị ngày 20 tháng 11 năm 2010, giáo hoàng vinh thăng Brandmüller lên bậc Hồng y đẳng Phó tế và bổ nhiệm ông làm hồng y hiệu tòa Nhà thờ San Giuliano dei Fiamminghi. Theo yêu cầu của ông và như được quy định trong giáo luật,[6] ông sẽ được tấn phong giám mục trước khi trở thành hồng y mặc dù đã quá lớn tuổi để tham gia Mật nghị. Ngày 13 tháng 11 năm 2010 tại Nhà thờ Santa Maria dell'Anima, Roma,[4] ông được truyền chức giám mục bởi vị chủ phong Hồng y Raffaele Farina (Đương án Văn khố và Quản thủ Thư viện của Tòa Thánh) cùng hai vị chủ phong Ludwig Schick (tổng giám mục Bamberg) và Giuseppe De Andrea (tổng giám mục hiệu tòa Anzio).[5]

Khi tin giáo hoàng thoái vị được công bố vào năm 2013, trong một cuộc phỏng vấn với tờ nhật báo Đức The Bild, vị hồng y người Đức nói rằng tước hiệu "giáo hoàng danh dự" mà cựu giáo hoàng chọn "không hề tồn tại trong toàn bộ lịch sử giáo hội" và tiết lộ rằng ban đầu ông đã tưởng rằng tin từ chức chỉ là một "trò đùa trước Mùa Chay".[7][8]

Ngày 5 tháng 10 năm 2013,[4] Giáo hoàng Phanxicô chọn Hồng y Brandmüller làm đại diện riêng của mình để chủ tọa lễ kỷ niệm 450 năm ngày bế mạc Công đồng Trentô tổ chức ngày 4 tháng 12 cùng năm.[9]

Tháng 9 năm 2016, Brandmüller cùng với các Hồng y Carlo Caffarra, Raymond Burke và Joachim Meisner, gửi cho Giáo hoàng Phanxicô một lá thư riêng với năm dubia (câu hỏi) để làm rõ về các điểm khác nhau của Tông Huấn Amoris laetitia. Câu hỏi đầu tiên liên quan đến việc những người ly dị và tái hôn lãnh nhận bí tích; bốn câu còn lại hỏi về những vấn đề cơ bản của đời sống Kitô hữu và đề cập đến lá thư Veritatis splendor của Giáo hoàng Gioan Phaolô II. Tháng 11 năm 2016, khi chưa nhận được phản hồi, họ đã công khai bức thư của mình với tựa đề "Seeking Clarity: A Plea to Untie the Knots in Amoris Laetitia" (tạm dịch: "Tìm kiếm sự rõ ràng: Một lời cầu xin gỡ bỏ những nút thắt trong Amoris Laetitia").[10][11]

Tháng 5 năm 2017, Caffarra, Brandmüller, Burke và Meisner gửi một lá thư riêng được viết vào ngày 25 tháng 4 và trao tận tay cho giáo hoàng vào ngày 6 tháng 5 để xin mở một cuộc họp vì không nhận được phản hồi cho dubia mà họ đã gửi trước đó vào tháng 9 năm 2016. Lần này cũng không được phản hồi, họ công khai lá thư vào tháng 6 năm 2017.[11] Hai hồng y trong số đó đã qua đời cùng năm: Meisner vào ngày 5 tháng 7[12] và Caffara vào ngày 6 tháng 9.[13]

Tháng 2 năm 2019, Brandmüller và Burke viết một bức thư ngỏ gửi cho Giáo hoàng Phanxicô kêu gọi chấm dứt "bệnh dịch chương trình nghị sự đồng tính" mà theo họ là nguyên nhân cho cuộc khủng hoảng lạm dụng tình dục nhấn chìm Giáo hội Công giáo. Họ tuyên bố chương trình nghị sự được lan truyền bởi "các nhà mạng có tổ chức" được bảo vệ bởi một "âm mưu thầm lặng".[14]