W 1940 roku został mianowany diecezjalnym asystentem generalnym Akcji Katolickiej. W 1941 roku został kanonikiem archikatedry w São Paulo. W 1942 roku został mianowany wikariuszem generalnym archidiecezji São Paulo. W 1944 roku arcybiskup Carlos Carmelo de Vasconcellos Motta zdegradował go jednak do funkcji wikariusza parafii św. Józefa z Belem.
Do łask powrócił po 1947 roku. 6 maja 1948 roku papież Pius XII mianował Antônio de Castro Mayera biskupem tytularnym Prieny i koadiutorem biskupa Campos. 23 maja 1948 roku Antonio de Castro Mayer otrzymał święcenia biskupie i rozpoczął posługę jako biskup pomocniczy diecezji Campos. W 1949 roku został jej ordynariuszem.
Biskup Campos Jako biskup Campos, Antônio de Castro Mayer znany był ze swojego konserwatyzmu jako przeciwnik socjaldemokracji i modernizmu. Założył kontrrewolucyjny miesięcznik Catolicismo. Był współautorem książki Reforma rolna – kwestia sumienia, w której zawarty był wykład doktryny katolickiej, potępiający błędy szerzącego się w tym czasie w Ameryce Południowej socjalizmu i komunizmu.