6 marca 1992 został mianowany biskupem diecezjalnym Ávila. Sakrę biskupią otrzymał w katedrze Chrystusa Zbawiciela w Ávila 25 kwietnia 1992 z rąk abpa Mario Tagliaferriego – nuncjusz apostolski w Hiszpanii, któremu towarzyszyli hiszpańscy kardynałowie – Ángel Suquía Goicoechea i Marcelo González Martín.
10 grudnia 1996 został przeniesiony na stolicę arcybiskupią Grenady, w tym samym roku powołano go w skład Kongregacji Nauki Wiary. Od stycznia do października 1998 pełnił funkcję administratora diecezji Kartagena. W 1999 stanął na czele Komisji Edukacji i Katechezy Konferencji Episkopatu Hiszpanii.
24 października 2002 przeszedł na stolicę arcybiskupią Toledo, który jest jednocześnie Prymasem Hiszpanii. Ingres natomiast odbył się 15 grudnia 2002.
W latach 2005–2008 był wiceprzewodniczącym Konferencji Episkopatu Hiszpanii. 14 marca 2017 ponownie wybrany wiceprzewodniczącym Konferencji Episkopatu Hiszpanii.
22 lutego 2006 papież Benedykt XVI ogłosił nominację kardynalską arcybiskupa Cañizaresa Llovery, miesiąc później na uroczystości konsystorza nadając mu tytuł prezbitera Bazyliki św. Pankracego za Murami.
9 grudnia 2008 ten sam papież powołał go na stanowisko prefekta Kongregacji Kultu Bożego i Dyscypliny Sakramentów.