Pave Benedikt XVI utnevnte ham til biskop av Assisi-Nocera Umbra-Galdo Tadino den 19. november 2005, og han beholdt den personlige tittel som erkebiskop. I Assisi kunne biskop Sorrentino motta Benedikt XVI som gjest to ganger, blant annet under pavens besøk i anledning 25-årsjubileet for det første verdensbønnemøtet i oktober 2011.