Pada 10 Desember 1963, Kardinal Justinus ditunjuk menjadi Uskup Agung Semarang, menggantikan Mgr. Albertus Soegijapranata, SJ. Ia menerima tahbisan uskup pada 6 April 1964. Penahbis utama adalah Internunsius Apostolik untuk Indonesia Mgr. Ottavio De Liva.
Sebagai uskup, ia hadir sebagai Bapa Konsili dalam Konsili Vatikan II sesi ketiga (24 September – 21 November 1964) dan sesi keempat (14 September – 8 Desember 1965). Sedangkan sebagai kardinal, ia mengikuti dua kali konklaf. Pertama, pada waktu Kardinal-Imam S. Marco Mgr. Albino Luciani terpilih menjadi Paus, yang mengambil nama Yohanes Paulus I pada 26 Agustus 1978. Paus Yohanes Paulus I wafat sebulan setelah terpilih menjadi Paus pada 28 September 1978. Konklaf kedua yang diikutinya yakni pada waktu Kardinal Karol Józef Wojtyła terpilih menjadi Paus dan mengambil nama Yohanes Paulus II, pada 14–16 Oktober 1978.
Kardinal Darmojuwono mengundurkan diri sebagai Uskup Agung Semarang saat berusia 66 tahun pada 3 Juli 1981. Dua tahun kemudian, 31 Desember 1983, ia mengundurkan diri sebagai Uskup Ordinariat Militer Indonesia. Kardinal Darmojuwono wafat pada 3 Februari 1994 saat berusia 79 tahun. Selama hidupnya, ia menjadi penahbis utama bagi 13 uskup Indonesia dan menjadi kardinal pertama Indonesia selama 26 tahun.
