Papież Paweł VI mianował go biskupem pomocniczym Quito, święcenia otrzymał 15 czerwca 1969 jako bp tytularny Cellae in Proconsulari. 1975 został przeniesiony do diecezji Ibarra. Jan Paweł II mianował go 1983 pierwszym biskupem polowym Ekwadoru (do 1989, bp tytularny Novi), a 1988 przeniósł jako koadiutora do Guayaquil, gdzie 1989 został arcybiskupem. W roku 2003 papież zaakceptował jego rezygnację, złożoną w związku z osiągnięciem 75 roku życia i długotrwałą chorobą. Odtąd arcybiskup poświęcił się służbie dla Opus Dei oraz pisaniu dzieł religijnych i prawniczych. Jego następcą został abp Antonio Arregui Yarza.
Abp Larrea Holguín był profesorem kilku krajowych uniwersytetów, w tym Katolickiego Uniwersytetu w Guayaquil i Uniwersytetu Centralnego. Wykładał m.in. w Akademii Dyplomatycznej, w seminariach duchownych w Ibarra i Guayaquil. Uczestniczył w szeregu konferencji międzynarodowych. W latach 1953–1954 był sekretarzem Komitetu Krajowego UNESCO. Był m.in. wiceprzewodniczącym Odwoławczej Komisji Wyborczej i doradcą prezydenta republiki, Sądu Najwyższego i Ministerstwa Rolnictwa. Wchodził w skład komisji przygotowującej nową ustawę zasadniczą kraju (1998). Otrzymał doktorat honorowy Katolickiego Uniwersytetu w Guayaquil, nagrodę „Tobar” miasta Quito oraz krajową Nagrodę im.