В 1859 году он был хиротонисан во епископа Тамбовского и Шацкого. В целях подъема народного образования епископ Феофан устраивает церковноприходские и воскресные школы, открывает женское епархиальное училище. В то же время он заботится и о повышении образования самого духовенства. С июля 1863 года святитель пребывал на Владимирской кафедре. Управляя епархиями, святитель Феофан показал себя неутомимым проповедником, заботливым отцом пасомых, покровителем духовных учебных заведений, активным миссионером.
Во время одной из поездок с целью обозрения храмов и монастырей своей епархии святитель Феофан посетил Вышенскую пустынь, которая понравилась ему строгим иноческим уставом и красотой местности. Назначая туда настоятелем эконома архиерейского дома игумена Аркадия, владыка на прощание сказал ему пророчески: «Поезжайте, отец игумен, туда, а там, Бог даст, и я к вам приду». В 1861 году епископ Феофан пережил большую радость. По решению Святейшего Синода он принимал участие в торжестве открытия мощей святителя Тихона Задонского. Это событие произвело большое впечатление на Тамбовского архипастыря и послужило как бы особым благодатным освящением его собственного служения.
Епископ Феофан предпринимал поездки в раскольнические центры епархии, где произнес целый ряд проповедей, а в конце 1865 года открыл в селе Мстере Вязниковского уезда Богоявленское православное братство.
Однако предметом самых усердных забот епископа Феофана явились церковно-приходские школы и духовно-учебные заведения епархии. С начала 1865 года по ходатайству святителя Феофана стали выходить «Владимирские епархиальные ведомости». За усердную и плодотворную архипастырскую деятельность во благо Церкви преосвященный Феофан был награжден орденом святой Анны II степени (17 апреля 1857 года) и святой Анны I степени (19 апреля 1864 года).
Однако епископ Феофан не был удовлетворен своей деятельностью, сопряженной с административными и хозяйственными заботами. Душа его стремилась к уединенному иноческому житию. Через 25 лет непорочной службы он подал прошение об увольнении и в 1866 был отправлен в избранную им Успенскую Вышенскую пустынь. Он затворился и предался молитвенным и духовным трудам.
В первые шесть лет своего пребывания в Вышенской пустыни преосвященный Феофан не уединялся окончательно. Вместе с иноками обители он ходил ко всем церковным службам, а в воскресные и праздничные дни сам совершал литургию в сослужении братии. Внешняя обстановка вполне соответствовала духовным потребностям подвижника-святителя. Он охотно принимал посетителей. Святитель Феофан в начале своего пребывания в Вышенской пустыни испытывал борьбу с помыслами, которые внушали ему сожаление о раннем оставлении кафедры.
Впоследствии, в 1879 году, святителя Феофана через Святейший Синод приглашал в Японию отец Николай (Касаткин), будущий равноапостольный просветитель Японии (память 3 февраля). Но Феофан отказался от этих приглашений.
После Пасхи 1872 года святитель уходит в затвор. С этого времени он принимал только настоятеля пустыни, духовника игумена Тихона и келейника отца Евлампия. К этому времени епископ Феофан устроил в своих кельях малую церковь во имя Крещения Господня, в которой служил Божественную литургию во все воскресные и праздничные дни, а в последние 11 лет ежедневно.