Am 8. April 1957, dem Todestag von Pedro Kardinal Segura y Sáenz, folgte er ihm als Erzbischof von Sevilla nach. Johannes XXIII. nahm ihn am 15. Dezember 1958 als Kardinalpriester mit der Titelkirche "Santi Vito, Modesto e Crescenzia" in das Kardinalskollegium auf. Von 1962 bis 1965 beteiligte sich Monreal am Zweiten Vatikanischen Konzil, zusammen mit José Kardinal Quintero Parra, unterstützt von Paul Kardinal Zoungrana, fertigte er am 8. Dezember 1965 eine der Abschlussbotschaften. Er war einer der wahlberechtigten Kardinäle, die an dem Konklave 1963 und wieder an den Konklaven im August und im Oktober 1978 teilnahmen. Am 22. Mai 1982 nahm Papst Johannes Paul II. nach fünfundzwanzig Jahren im Dienst seinen altersbedingten Rücktritt an.