Den 29. desember 2017 utnevnte pave Frans ham til titulærbiskop av og hjelpebiskop i Madrid. Erkebiskopen av Madrid, kardinal Carlos Osoro Sierra, bispeviet ham samt Santos Montoya Torres og Jesús Vidal Chamorro den 17. februar 2018 i katedralen Santa María la Real de La Almudena; medkonsekratorer var erkebiskop emeritus av Madrid, kardinal Antonio María Rouco Varela og den apostoliske nuntius til Spania, erkebiskop Renzo Fratini. Som hjelpebiskop fortsatte han å være medlem av konsultorkollegiet, presterådet og bispedømmets pastoralråd. I Den spanske bispekonferanse ledet Cobo Cano også fengselspastoralavdelingen fra 2018 til 2021. Han har også vært medlem av Sosialpastoralkommisjonen fra 2018 og ledet Migrasjonsavdelingen fra 2019.