Den 1. april 1995 utnevnte pave Johannes Paul II ham til biskop av Sion. Hans forgjenger kardinal Henri Schwery bispeviet ham den 9. juni 1995. Medkonsekratorer var erkebiskop Peter Zurbriggen, apostolisk nuntius til Mosambik, og biskop Henri Salina C.R.A., abbed av Saint-Maurice. Norbert Brunner var medlem av presidiet for den sveitsiske biskopskonferanse (SBK) fra 1998. I 2010 ble han valgt til president for den sveitsiske bispekonferanse; I 2013 etterfulgte St. Gallen-biskop Markus Büchel ham.