937年12月2日任命土井辰雄接任为东京总教区正权总主教。他于1938年2月13日晋牧，并正式就任。二战期间，他曾担任日本全国天主教中央委员会执行主任。他于1945年至1947年任横滨教区宗座署理。教宗若望二十三世于1960年3月28日将他册封为司铎级枢机。土井辰雄于1970年2月21日在日本东京去世，终年77岁。他的遗体在东京圣玛利亚主教座堂埋葬。总主教一职则由白柳诚一接任。