1930 ernannte ihn Papst Pius XI. zum Bischof von Crema. Die Bischofsweihe empfing er am 25. Juli 1930 durch Giovanni Kardinal Nasalli Rocca di Corneliano. Aufgrund seines Einsatzes für die arme Bevölkerung von Crema nannte man Mimmi bald "Bischof der Armen". 1933 wurde er Erzbischof von Bari. In dieser Funktion überzeugte er 1946 den damaligen jungen Strafrechtsprofessor Aldo Moro, bei der Wahl zur Verfassunggebenden Versammlung Italiens für den Wahlkreis Bari anzutreten und setzte damit den Impuls für Moros politische Laufbahn. Papst Pius XII. ernannte ihn 1952 zum Erzbischof von Neapel und nahm ihn ein Jahr darauf als Kardinalpriester mit der Titelkirche "San Callisto" in das Kardinalskollegium auf. Marcello Mimmi leitete mehrere Päpstliche Gesandtschaften in Italien und im Ausland. 1957 wurde er Sekretär der Konsistorialkongregation und legte die Leitung des Erzbistums Neapel im folgenden Jahr nieder. 1958 wurde er zum Kardinalbischof von "Sabina-Poggio Mirteto" erhoben. Kardinal Mimmi nahm auch am Konklave 1958 teil, in dem Papst Johannes XXIII. gewählt wurde.