3 marca 2007 r. Benedykt XVI mianował bp. Kazimierza Nycza arcybiskupem metropolitą warszawskim. Ingres do bazyliki archikatedralnej św. Jana Chrzciciela w Warszawie odbył się w Niedzielę Palmową 1 kwietnia 2007 r. W tym samym roku został mianowany ordynariuszem wiernych obrządku wschodniego w Polsce, którzy nie mają własnego biskupa. 20 listopada 2010 r. Benedykt XVI wyniósł abp. Nycza do godności kardynalskiej.

Kard. Kazimierz Nycz jest m.in. członkiem Rady Stałej Konferencji Episkopatu Polski, przewodniczącym Rady Ekonomicznej, członkiem Komisji Wspólnej Przedstawicieli Rządu i Episkopatu, Zespołu ds. Kontaktów z Konferencją Episkopatu Niemiec oraz ordynariuszem wiernych obrządku wschodniego w Polsce pozbawionych ordynariusza własnego obrządku. Jest także członkiem watykańskiej Kongregacji ds. Kultu Bożego i Dyscypliny Sakramentów, Kongregacji ds. Duchowieństwa oraz Papieskiej Rady ds. Kultury.