Anschließend war Gil Tamayo für neun Jahre als Seelsorger in verschiedenen ländlichen Pfarreien tätig, bevor er an der Universität Navarra einen Abschluss in Informationswissenschaft erwarb. 1992 wurde er Leiter der Pressestelle des Erzbistums Mérida-Badajoz. Von 1998 bis 2011 war Gil Tamayo Direktor des Sekretariats der Kommission für die sozialen Kommunikationsmittel der Spanischen Bischofskonferenz. José María Gil Tamayo war ab dem 20. November 2013 für fünf Jahre Generalsekretär der Spanischen Bischofskonferenz.
Am 16. Juli 2022 ernannte ihn Papst Franziskus zum Koadjutorerzbischof von Granada.[2] Die Amtseinführung fand am 1. Oktober desselben Jahres statt. José María Gil Tamayo wurde am 1. Februar 2023 in Nachfolge von Francisco Javier Martínez Fernández, dessen altersbedingtes Rücktrittsgesuch am selben Tag angenommen worden war, Erzbischof von Granada.[3]