21 kwietnia 1828 objął katedrę permską. W Permie napisał podręcznik dla kandydatów do przyjęcia święceń kapłańskich i zaangażował się w organizację działalności misyjnej wśród staroobrzędowców. Wśród wiernych prawosławnych zyskał opinię świętego. Po trzech latach został przeniesiony na katedrę irkucką, gdzie zorganizował misję działającą w regionie Ałtaju i działał na rzecz nawracania na prawosławie wyznawców lamaizmu. Równocześnie prowadził ascetyczny tryb życia, poświęcając wiele godzin dnia na modlitwę.
Pogorszenie się stanu zdrowia hierarchy sprawiło, że w 1835 został on przeniesiony na katedrę charkowską, na której przebywał do swojej śmierci w 1840. Został pochowany w monasterze Opieki Matki Bożej w Charkowie.
W 1948 z polecenia patriarchy Aleksego I szczątki arcybiskupa przeniesiono do soboru Zwiastowania w Charkowie, gdzie znajdują się do dziś. W 1978 Melecjusz (Leontowicz) został kanonizowany. Akafist na jego cześć napisał arcybiskup charkowski Nikodem, zaś redakcji poddał metropolita leningradzki NikodemСвятитель Мелетий (Леонтович), архиепископ Харьковский.