29 мая 1859 года состоялось наречение его во епископа Тамбовского и Шацкого. В речи при наречении епископа архимандрит Феофан сравнил свою жизнь и разнообразную деятельность с шаром, без грохота и шума катящимся туда и сюда, по направлению сообщаемых ему ударов. Отец Феофан выразил свою покорность воле Божией, свое смирение и недостоинство. В том же слове, обращаясь к сонму архипастырей, он поведал, что имеет тайное желание высших подвигов добродетели. «Не скрываю, – сказал отец Феофан, – что не чуждо было бы тайным желаниям сердца, если бы на мою долю выпало такое место, где бы я свободно мог бы предаться занятиям по сердцу».
1 июня митрополитом Георгием с собором епископов в Троицком соборе Александро-Невской Лавры была совершена его хиротония.
Много забот и трудов пришлось понести владыке при управлении Тамбовской епархией. Служение преосвященного Феофана продолжалось только четыре года. Но за это короткое время он необыкновенной кротостью своего характера, редкой деликатностью и участливым вниманием к нуждам пасомых успел сродниться со своей паствой и снискать всеобщую самую искреннюю любовь.
Святитель Феофан проявил себя ревностным служителем во всех сферах церковной жизни.
Почти каждое богослужение он сопровождал проповедью, и слово его, шедшее от сердца и дышавшее глубоким убеждением, привлекало многочисленных слушателей. Плодом его ревностного проповедания явился выпуск двух томов его слов к тамбовской пастве. В целях подъема народного образования при содействии преосвященного Феофана было открыто много церковно-приходских училищ, воскресных школ и частных школ грамотности, а также открыто женское епархиальное училище с шестилетним сроком обучения. Епископ Феофан в то же время заботился о повышении образования и самого духовенства. По его ходатайству пред Святейшим Синодом с 1 июля 1861 года стали выходить «Тамбовские Епархиальные Ведомости». Не оставлял владыка без внимания и благоустройство духовно-учебных заведений; так, он побудил начальство Тамбовской семинарии произвести капитальный ремонт семинарского храма.
Епископ Феофан всего себя отдавал на служение своим пасомым, уделяя малое время для сна. В дни скорби и мира он был любвеобильным отцом для всех.
При своих многочисленных и разнообразных делах и заботах по управлению Тамбовской епархией святитель Феофан находил время и для учебнолитературной деятельности. К этому времени относится его богословский труд «Письма о христианской жизни», который заключает в себя целую систему христианского нравственного учения.
Во всей последующей жизни в нем все больше пробуждалась склонность к уединению. 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 красотою 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 приеду».
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. Но недолго тамбовской пастве пришлось быть под управлением преосвященного Феофана: 22 июля 1863 года он был перемещен на древнюю, более обширную Владимирскую кафедру вместо уволенного на покой епископа Иустина. В синодальном докладе было сказано, что преосвященный Феофан «настоящим своим служением снискал потребную опытность для управления столь обширной паствой».
Непродолжительно было служение епископа Феофана и во Владимире, но и здесь он проявил себя ревностным архипастырем и успел заслужить всеобщее уважение и любовь. Первым предметом попечения заботливого архипастыря Владимирской епархии было спасение вверенных ему душ через назидание, посредством проповеди слова Божия. Он поучал народ с высоты церковного амвона и в храмах епархиального города, «обходя грады и веси обширной, миллионной своей паствы». Посещая раскольнические центры епархии, епископ Феофан 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. Он закончил начатую его предшественником постройку общежития для учеников Владимирской духовной семинарии, открыл училище для девиц духовного звания. С начала 1865 года по ходатайству святителя Феофана стали выходить «Владимирские Епархиальные Ведомости». За усердную и плодотворную архипастырскую деятельность во благо Церкви преосвященный Феофан 17 апреля 1857 года был награжден орденом святой Анны II степени, а 19 апреля 1864 года – орденом святой Анны I степени.