Giám mục Trần Văn Thiện là một trong số các nghị phụ Công giáo người Việt Nam tham dự Công đồng Vatican II. Ông tham dự bốn phiên họp khoáng đại kéo dài bốn năm của Công đồng (1962"–"1965). Năm 1963, với biến cố khiến Tổng giám mục Ngô Đình Thục không thể trở về Việt Nam, Hội đồng Giám mục Việt Nam nhóm họp và chọn chưởng ấn mới cho Viện Công giáo Đà Lạt. Giám mục Trần Văn Thiện được bầu chọn vào chức vụ này. Ông đảm nhận chức vụ cho đến năm 1970 và bàn giao nhiệm vụ chưởng ấn cho vị kế nhiệm là Giám mục Giacôbê Nguyễn Ngọc Quang. Ngoài chức chưởng ấn Viện Công giáo thuộc Hội đồng Giám mục, Giám mục Thiện cũng từng giữ chức Chủ tịch Uỷ ban Giám mục Truyền giáo Việt Nam.