En septiembre de 1971 fue consagrado obispo en León, donde permaneció hasta 1979, cuando sucedió a monseñor Añoveros como prelado de Bilbao.
Su episcopado en Vizcaya destacó, según el obispado, por la formación de laicos y presbíteros, la pastoral vocacional, la autofinanciación de la Iglesia y el compromiso con los pobres, con el impulso de una nueva etapa de Cáritas Diocesana.
Durante este periodo se implantó «Proyecto hombre» para la rehabilitación de toxicómanos, se creó el Museo Diocesano de Arte Sacro, la Pastoral Penitenciaria y el secretariado de la Pastoral Obrera.
Otros cargos
En la asamblea plenaria de la Conferencia Episcopal celebrada el 22 de febrero de 1990 fue elegido vicepresidente de la Comisión Episcopal de Seminarios y responsable de la Subcomisión de Universidades.
Luis María de Larrea fue el cuarto obispo de la diócesis de Bilbao, creada en 1950, y, tras poner su cargo a disposición del Vaticano en 1993 al cumplir 75 años, le sucedió en 1995 el actual prelado bilbaíno, Ricardo Blázquez.
Durante su mandato Larrea tuvo como obispos auxiliares de Bilbao a Juan María Uriarte, actual obispo de San Sebastián, y Carmelo Etxenagusia, fallecido el pasado noviembre.