Propuesto dentro de la terna para ocupar el cargo por el entonces presidente Vicente Fox Quezada en 2003, y nombrado por mayoría calificada en el Senado en ese mismo año, Cossío Díaz inició su función como Ministro de la Suprema Corte de Justicia de la Nación adscrito a la Primera Sala de la Suprema Corte en diciembre de 2003.