Dnia 9 listopada rezygnuje z godności rektora uniwersytetu. Papież Leon XIII prekanizował go w Rzymie 17 grudnia 1900 roku. Dnia 20 grudnia tegoż roku odbyło się urzędowe złożenie przysięgi i audiencja u cesarza Franciszka Józefa I w Wiedniu.
Konsekracja i intronizacja na stolicę we Lwowie odbyła się 20 stycznia 1901 roku. Konsekracji ks. Bilczewskiego w katedrze lwowskiej dokonał ks. kard. Jan Puzyna. Abp Bilczewski na progu swych rządów pasterskich w Archidiecezji Lwowskiej, niezmiernie jasno i zobowiązująco ujął program swej pracy: „oddanie się całopalne za sprawę Kościoła św.” Myśli tej pozostał wierny do końca życia.
Drogowskazem dla metropolity Bilczewskiego była Ewangelia, ciągła łączność ze Stolicą Apostolską, sprawiedliwość i Dekalog. Postanowił zwalczać wybujały egoizm społeczeństwa. Program odrodzenia duchowego, rozkrzewiania wiary katolickiej w sercach i umysłach pragnął realizować w każdych okolicznościach – zarówno tych sprzyjających jak i w trudnościach, które sprawiały często władze zaborcze. Jako wzór do naśladowania, przyjął abp Bilczewski swego poprzednika bł. Jakuba Strepę.
Arcybiskup Bilczewski jako wytrawny profesor uniwersytecki i znakomity uczony o sławie europejskiej, nie zaniedbywał rozwijania opieki nad Wydziałem Teologicznym we Lwowie i Seminarium Duchownym, którego rektorem był biskup Józef Weber, a wicerektorem – Adam książę Sapieha, doktor prawa kanonicznego.
Jedną z największych trosk abp Bilczewskiego był brak kapłanów, z powodu którego wiele kościołów i szkół archidiecezji nie miało dostatecznego dostępu do nauki i wychowania Kościoła. Z nastaniem nowego metropolity, powoli stan ilościowy alumnów zmieniał się, przybywało kleryków i kapłanów. Wielkim poparciem i zaufaniem darzył Sługa Boży także zgromadzenia zakonne męskie i żeńskie. Za jego rządów osiedliło się kilka nowych kongregacji zakonnych.
Zajaśniał również Arcybiskup na niwie pedagogiki katolickiej jako pedagog – praktyk, profesor – wychowawca, duszpasterz i pisarz. Jako profesor odznaczał się darem mistrzowskiej wymowy. Ks. abp Bilczewski poświęcił sprawom nauczania religii i wychowania kilka listów pasterskich: „W sprawach nauczania katechizmu” (1901), „Chleb żywota” (1912), „Uczyć, uczyć, uczyć” (1912), „O miłości ojczyzny”(1923).
Zdaniem abp Bilczewskiego w osobowości katechetycznej muszą się zaznaczyć: wierność ideałom życia, miłość ojczyzny sprawiedliwość względem wychowanków, głęboka religijność, kontakt pedagogiczny, pracowitość zawodowa.
Kładł nacisk na wizytacje kanoniczne, listy pasterskie i odezwy. Ks. Tarnowski nazwał wizytacje kanoniczne Arcybiskupa „pochodem triumfalnym”. Ponieważ wierni wszystkich klas społecznych wysilali się w celu jak największego okazania czci i przywiązania do swego Arcypasterza.
W swoim sercu miał głęboką cześć dla innych wyznań na terenie swej metropolii. Nie pomijał więc kościołów greko-katolickich. Starał się szanować przekonania narodowe katolików – Niemców i Węgrów.
Ks. arcybiskup J. Bilczewski, obejmując archidiecezję lwowską, nakreślił szeroki program działalności duszpasterskiej, oraz wzniosłe zasady postępowania. Przystąpił do pracy duszpasterskiej z wielkim zapałem. W szeroko zakrojonej działalności doniosłe miejsce zajmowała troska o odrodzenie duchowe archidiecezji i powiększenie liczby duchowieństwa. Szczególną uwagę zwracał na wychowanie duchowieństwa, jego walory moralne i intelektualne, umiłowanie świętości i nauki. Zdolnych alumnów i młodych księży wysyłał na studia do Rzymu, Fryburga, Insbrucku, Wiednia, Lowanium.
Ks. Arcybiskup Bilczewski sam pochodząc z ludu, dostrzegał i rozumiał potrzeby i problemy dnia codziennego najuboższych swoich wiernych. O wielkim oddaniu i gorliwości w działalności duszpasterskiej arcybiskupa, wiele mówią Jego listy pasterskie, bogate w treść, posiadające piękną szatę literacką. Były one tłumaczone na język czeski, węgierski, niemiecki.
Abp Bilczewski dedykował je swoim „drogim braciom kapłanom i drogiemu ludowi”. Pisząc, że wyszły z serca i do serca mają trafić. W swoich listach pasterskich z wielką erudycją przedstawiał prawdy wiary, zwalczał fałszywe poglądy, poruszał zagadnienia etyczne. Jego listy pasterskie ukazały się drukiem w trzech tomach. Pierwszy tom ukazał się w roku 1908, drugi w roku 1922, a trzeci tom w roku 1924.
W pracy duszpasterskiej abp Bilczewski szczególną troską otaczał młodzież. Jako człowiek nauki poświęcał wiele energii i sił w szerzenie oświaty w duchu chrześcijańskim i narodowym. Bardzo bliskie jego sercu były szkółki wiejskie i małomiasteczkowe.
Koniec XIX i początek XX wieku w Europie, to okres doniosłych zmian politycznych, gospodarczych, kulturalnych i społecznych. Arcybiskup J. Bilczewski nie był nigdy politykiem zawodowym, niemniej jednak miał swoje zdanie i przekonania polityczne.
W jego działalności politycznej dominowało hasło „Bóg i Ojczyzna”. Bronił zdecydowanie polskości na kresach wschodnich. W czasie I wojny światowej i okupacji carskiej, umiał zachować godność i powagę, a tym samym postawą swoją wzbudzał respekt i szacunek. Ratował ludność przed klęską głodową, kierował działalnością komitetu ratunkowego, założonego przez Ks. Arcybiskupa Adama Sapiehę, pod koniec 1914 roku.
Szeroka działalność społeczna i polityczna Bilczewskiego polegała na podnoszeniu poziomu wiedzy duchowieństwa, budowie kościołów, kaplic, ochronek i wpajaniu zasad i cnót społecznych. Przez pogłębienie wiary i znajomości katechizmu, zbliżał ludzi do sakramentu pokuty i Eucharystii. Wielką miłością otaczał robotników, wspierając ich duchowo i materialnie. Popierał także działalność stowarzyszeń zawodowych o charakterze chrześcijańskim.
Swoje credo polityczne jako testament ku spełnieniu rodakom pozostawił w liście pasterskim „O miłości Ojczyzny”.
Arcybiskup J. Bilczewski był wielkim patriotą. Kształtując wśród rodaków postawy patriotyczne, poświęcał cały swój czas pracy duszpasterskiej, nawiązując do wartości historyczno-kulturowych narodu. Zawsze szukał Ewangelicznych rozwiązań codziennych problemów. Twierdził, że miłość Ojczyzny oparta jest na miłości Boga.
Życie wewnętrzne abp Bilczewskiego było bardzo głębokie. Był mężem modlitwy. Człowiekiem bardzo pracowitym i miłującym ludzi, a nade wszystko Boga.
Śmierć przyszła w dniu 20 marca 1923 roku. Zmarł w opinii świętości we Lwowie.
Heroiczność cnót Arcybiskupa Bilczewskiego została potwierdzona przez Kongregację Spraw Kanonizacyjnych w obecności Ojca Świętego Jana Pawła II w dniu I7 XII 1997 roku.
Kanonizacja Arcybiskupa Bilczewskiego na Świętego przez Ojca Świętego Benedykta XVI odbyła się w Rzymie w dniu 23 października 2005 roku.
O wielkości i świętości Sługi Bożego abp Józefa Bilczewskiego mówią słowa wypisane na jego grobie: „Mąż wielkiego ducha, człowiek nauki, bohaterskiego serca, gorliwy naśladowca bł. Jakuba, najczulszy pasterz swej trzody, zasłużony dla Ojczyzny”.
