Enkele jaren na de oorlog, op 15 oktober 1949, werd Feltin door paus Pius XII benoemd tot aartsbisschop van Parijs. Daar zette hij zich vooral in voor de arbeiders in de buitenwijken van de stad en in de jaren 1950 verdedigde hij de beweging van de priester-arbeiders. Op 15 januari 1953 benoemde paus Pius XII hem tot kardinaal, waarbij hij als titelkerk de Santa Maria della Pace in Rome kreeg toegekend. In die hoedanigheid nam hij deel aan de conclaven van 1958 en 1963. Ook nam Feltin van 1962 tot 1965 deel aan het Tweede Vaticaans Concilie. In 1963 veroorzaakte hij controverse toen hij zangeres Édith Piaf een kerkelijke begrafenis weigerde te geven, volgens hem omdat ze in openlijke zonde had geleefd.