Pave Pius XII utnevnte Sergio Méndez Arceo til biskop av Cuernavaca den 11. mars 1952. Han ble ordinert til biskop av erkebiskopen av Mexico (by), Luis María Martínez y Rodríguez, den 30. april samme år. Medkonsekratorer var biskopen av Tulancingo, Miguel Darío Miranda y Gómez, og biskopen av Zamora, José Gabriel Anaya y Diez de Bonilla.