1 сентября 1684 года, в день церковного новолетия, состоялось избрание архимандрита Питирима на Тамбовскую епископскую кафедру, а 15 февраля 1685 года он был рукоположен во епископа (икос 4).
Состояние церковных дел епархии в семнадцатом столетии было плачевное. Имеющиеся храмы и монастыри были неблагоустроенны, ощущалась острая нужда в пастырях, проповеди произносились редко. Край нуждался в архипастыре, который смог оказать несомненное духовное влияние на все население.
Новый архипастырь начал свою деятельность в Тамбове с богослужения. Он прибыл в город в четвертом часу утра и вскоре начал служить литургию Преждеосвященных Даров. Замечательный человек предстал перед жителями Тамбова. Очень доброжелательный, приветливый, кроткий, внимательный, излучавший нелицемерную, глубокую любовь к людям и ту скрытую могучую силу духа, которая приобретается многолетней упорной борьбой с самим собою. Он вскоре заслужил любовь своей паствы (кондак 6).
Приехав в пределы своей епархии, епископ немедленно отправился в самое логово преступников и всякого рода бродяг, населявших в то время Пяшкельскую слободу (село Донское) близ Тамбова. К отверженным, заблудшим и, казалось бы, уже неисправимым людям он приходил как брат и друг, глубоко скорбя о них и неся им свет искренней любви и милосердия. Частые его посещения и беседы сделали свое дело — жители слободы обратились ко Христу.
Святителю предстояло укрепить православную веру в Тамбове и всей епархии, заботиться о благолепии богослужений, неустанном духовном окормлении паствы. Его занимали труды по обращению к Православию язычников посредством личных бесед, встреч,
Уже через год после своего приезда святитель Питирим, следуя желанию жителей, строит храм во имя святого Иоанна Предтечи, проповедника покаяния, избрав место для его основания вместе со святителем Воронежским Митрофаном (кондак 7). В новоустроенной обители святитель Питирим имел небольшую келию, в которой уединялся для подвига поста и молитвы. В лесу, близ монастыря, он вырыл колодец, вода которого возымела благодатные, целительные свойства. Такой же колодец он вырыл близ нового тамбовского собора, а также в чаще лесной. И в этом колодце вода оказалась освященной особой, благодатной силой (икос 9). В 1690 году святитель основал женский Вознесенский монастырь, игуменией которого стала его родная сестра, монахиня Екатерина (икос 7).
Святитель Питирим обновил и многие старые обители. При его содействии был построен величественный каменный храм Пресвятой Троицы в мужском монастыре в Козлове. Наибольшие труды святитель-подвижник понес при постройке в Тамбове благолепного Преображенского каменного кафедрального собора. Он был и архитектором, и рабочим: носил кирпичи, подвозил глину, занимался любой строительной работой. Когда выстроен был первый этаж храма, святитель указал в нем место для своего погребения (икос 12). Под влиянием трудов и подвигов святителя Питирима духовная жизнь в Тамбовской епархии стала неузнаваемо преображаться.
В 1695 году, после десятилетнего управления епархией, святитель