Kolejni papieże nadali mu tytuły – Jan XXIII nadzwyczajnego tajnego szambelana (1961), Paweł VI prałata honorowego (1971).

6 października 1988 Jan Paweł II mianował prałata Marchisano biskupem tytularnym Populonia oraz sekretarzem Papieskiej Komisji Opieki nad Dziedzictwem Artystycznym i Kulturalnym Kościoła, a 6 stycznia 1989 udzielił mu sakry biskupiej. Dodatkowo Marchisano stanął na czele Fundacji Jana XXIII. Od września 1991 był prezydentem Papieskiej Komisji ds. Świętej Archeologii, a od maja 1993 zmodernizowanej Papieskiej Komisji Dziedzictwa Kulturalnego Kościoła. W lipcu 1994 został wyniesiony do godności arcybiskupa tytularnego.

Od marca 1995 kierował Komisją Artystyczno-Kulturalną Wielkiego Jubileuszu Roku 2000. 24 kwietnia 2002 został przewodniczącym Fabryki Świętego Piotra i archiprezbiterem bazyliki watykańskiej; pół roku później zrezygnował z dalszego kierowania Komisją Dziedzictwa Kulturalnego Kościoła, ale nadal zajmował się zbliżoną problematyką jako szef Stałej Komisji ds. Opieki nad Historycznymi i Artystycznymi Pomnikami Stolicy Świętej.