Am 28. März 1960 nahm ihn Papst Johannes XXIII. als Kardinalpriester mit der Titelkirche "Sant’Antonio da Padova in Via Merulana" in das Kardinalskollegium auf. Peter Tatsuo Doi war in den Jahren 1962 bis 1965 Teilnehmer des Zweiten Vatikanischen Konzils und nahm am Konklave des Jahres 1963 teil.