Ascetyczny tryb życia ihumena Mitrofana zwrócił na niego uwagę patriarchy moskiewskiego i całej Rusi Joachima, który przeniósł go do Monasteru Unżeńskiego, gdzie Mitrofan był przez siedem lat przełożonym, doprowadzając klasztor do rozkwitu. Monaster kilkakrotnie odwiedzał car Fiodor III Romanow, spotykając się w czasie swoich wizyt z jego przełożonym. W 1682, po erygowaniu eparchii woroneskiej, ten sam władca zarekomendował ihumena do godności jej pierwszego ordynariusza. 2 kwietnia 1682 miała miejsce jego uroczysta chirotonia, której przewodniczył patriarcha Joachim.
Jako biskup woroneski Mitrofan szczególnie zaangażował się w walkę z ruchem staroobrzędowym na terenie swojej eparchii. Doprowadził również do wzniesienia w Woroneżu nowego soboru pod wezwaniem Zwiastowania Matki Bożej. Szczególny charakter miały relacje hierarchy z carem Piotrem I. Duchowny pobłogosławił rozbudowaną przez władcę flotę i wspierał finansowo jej rozwój, krytykował jednak cara za bezkrytyczne jego zdaniem przejmowanie obyczajów zachodnich, m.in. odmówił odwiedzenia Piotra w jego pałacu w Woroneżu, gdyż ten udekorował go posągami uznanymi przez biskupa za pogańskie.