3 czerwca 2005 Benedykt XVI prekonizował go arcybiskupem metropolitą krakowskim. Paliusz metropolitalny otrzymał 29 czerwca 2005 w bazylice św. Piotra w Rzymie. Natomiast 27 sierpnia 2005 odbył ingres do katedry na Wawelu i kanonicznie objął swój urząd. Jako arcybiskup metropolita krakowski objął urząd wielkiego kanclerza Papieskiej Akademii Teologicznej w Krakowie. Przyczynił się do podniesienia uczelni do godności Uniwersytetu Papieskiego Jana Pawła II w Krakowie. Był inicjatorem budowy Centrum Jana Pawła II „Nie lękajcie się”, a także zorganizowania w Krakowie 31. Światowych Dni Młodzieży. Gościł w Krakowie dwóch papieży: Benedykta XVI i Franciszka. W kwietniu 2010 udzielił zgody na pochowanie na Wawelu zmarłej w katastrofie smoleńskiej pary prezydenckiej Lecha i Marii Kaczyńskich, co spotkało się z krytyką i protestami, jak i kontrprotestami zwolenników pochówku pary prezydenckiej na Wawelu. W kwietniu 2014 w związku z ukończeniem 75 lat zgodnie z przepisami prawa kanonicznego oddał się do dyspozycji papieża, jednakże Franciszek zlecił mu dalsze sprawowanie urzędu arcybiskupa krakowskiego. Rezygnacja została przyjęta 8 grudnia 2016, jednocześnie do 28 stycznia 2017, kiedy to jego następca, dotychczasowy arcybiskup metropolita łódzki Marek Jędraszewski kanonicznie objął urząd, pełnił zleconą mu przez papieża funkcję administratora apostolskiego archidiecezji.