Den 15. juli 1996 ble Omella utnevnt av pave Johannes Paul II til titulærbiskop av og hjelpebiskop av Zaragoza og ble bispeviet den 22. september samme år i katedralbasilikaen i Zaragoza av byens erkebiskop Elías Yanes Alvarez og de medkonsekrerende Joaquín Carmelo Borobia Isasa, biskop av Tarazona, og Jose Maria Conget Arizaleta, biskop av Jaca.