Avec sa nomination comme évêque d'Hakodaté (actuel diocèse de Sendai au Japon), le , il devient à trente-trois ans l'évêque le plus jeune de son époque. Le , il est consacré par Paolo Marella, délégué apostolique au Japon. Les co-consécrateurs sont Jean-Baptiste-Alexis ChambonMEP, archevêque de Tokyo, et Mgr Hayasaka, évêque de Nagazaki. Il doit quitter le pays en 1941 à cause de l'entrée en guerre du Japon aux côtés de l'Allemagne. Il est de retour au Canada le où il reçoit sa nomination d'évêque in partibus de Calydon(de). Le , il est nommé administrateur apostolique du diocèse de Gravelbourg dans la Saskatchewan. Le pape Pie XII le nomme évêque de Gravelbourg le et il est intronisé le suivant.
Dans ce diocèse à l'habitat rural dispersé et endetté par la crise économique et la sécheresse des années 1930, il parvient à liquider la dette en quelques années. De plus, il met sur pied une caisse de retraite pour les prêtres du diocèse[1], organise une grande exposition missionnaire en et défend la langue française parlée par les catholiques face à une population anglophone de plus en plus importante. Il appuie pour cela la création de radios francophones.
Archevêque et nonce
Marie-Joseph Lemieux est nommé le comme archevêque d'Ottawa et prend solennellement son siège le . Il est de plus trésorier de la conférence des évêques catholiques du Canada (1953-1965). Il fait construire le petit séminaire francophone Saint-Jean-Marie-Vianney d'Ottawa qui ouvre ses portes en 1955, mais il ferme en 1968. Entre-temps, il a formé un millier d'élèves. Paul VI le nomme le évêque titulairePro hac vice de Saldae(de) et nonce apostolique à Haïti. De 1968 à 1969, il est en même temps délégué apostolique des Antilles. Il est nommé le pro-nonce en Inde. Il devient le président de la fabrique de Saint-Pierre de Rome. Il prend sa retraite au Canada en 1974. Il emménage en 1990 à la villa du Centre Élisabeth Bruyère[2], où il meurt quatre ans plus tard.
