14 maja 1978 został mianowany biskupem Toledo (w Brazylii), odebrał sakrę 6 sierpnia 1978 z rąk kardynała Paulo Evaristo Arnsa, arcybiskupa São Paulo. W październiku 1982 przeszedł na arcybiskupstwo Londrina. W latach 1991–1999 pracował w Kurii Rzymskiej na stanowisku sekretarza Kongregacji Kultu Bożego i Dyscypliny Sakramentów; w 1995 został powołany do Centralnego Komitetu Przygotowawczego Wielkiego Jubileuszu Roku 2000. W styczniu 1999 powrócił do Brazylii na stolicę arcybiskupią São Salvador da Bahia, będącą siedzibą prymasa.
W lutym 2001 Jan Paweł II wyniósł go do godności kardynalskiej, nadając tytuł prezbitera S. Gregorio Magno alla Magliana Nuova. 5 maja 2003 kardynał Agnelo został wybrany na 5-letnią kadencję na stanowisko przewodniczącego Konferencji Episkopatu Brazylii. Brał udział w sesjach Światowego Synodu Biskupów w Watykanie oraz w IV konferencji generalnej Episkopatów Latynoamerykańskich w Santo Domingo (Dominikana, październik 1992).
12 stycznia 2011 papież Benedykt XVI przyjął jego rezygnację z funkcji arcybiskupiej w São Salvador da Bahia ze względu na osiągnięty wiek emerytalny.