28 marca 2002 r. Jan Paweł II mianował ks. prał. Zygmunta Zimowskiego ordynariuszem diecezji radomskiej. Święcenia biskupie odbyły się w katedrze radomskiej 28 maja 2002 r. Konsekratorem był kard. Joseph Ratzinger, a współkonsekratorami - abp Józef Kowalczyk i bp Edward Materski. Jako biskupie zawołanie przyjął słowa: "Non ministrari sed ministrare" (Nie przyszedłem, aby mi służono, lecz aby służyć).

Jako biskup radomski przygotował koronację obrazu Matki Bożej Ostrobramskiej w Skarżysku-Kamiennej w 2005 r. i Matki Bożej Bolesnej w Kałkowie-Godowie w 2007 r. W latach 2006 i 2007 odbywała się w diecezji peregrynacja Matki Bożej w znaku kopii jasnogórskiej ikony.

Bp Zimowski zainicjował prace II Synodu Diecezji Radomskiej i przeprowadził Kongres Eucharystyczny. Oczkiem w głowie ordynariusza była budowa, a potem działalność Ośrodka Charytatywno-Edukacyjnego „Emaus” w Turnie koło Białobrzegów.

30 czerwca 2008 r. bp Zimowski otrzymał doktorat honoris causa Chrześcijańskiej Akademii Teologicznej w Warszawie. A 9 listopada tego roku odznaczony został przez Lecha Kaczyńskiego, prezydenta RP, Krzyżem Kawalerskim Orderu Odrodzenia Polski za zaangażowanie na rzecz ratowania żydowskich zabytków cmentarnych.

Obok pasterzowania powierzonej mu diecezji, bp Zimowski pełnił szereg funkcji w strukturach Konferencji Episkopatu Polski. Przewodniczył Komisji Nauki Wiary, był członkiem Komisji Ekumenicznej i Polskiego Towarzystwa Mariologicznego. Pełnił również funkcję delegata Konferencji Episkopatu Polski ds. Duszpasterstwa Emigracji.

18 kwietnia 2009 r. papież Benedykt XVI mianował bp. Zimowskiego przewodniczącym Papieskiej Rady ds. Duszpasterstwa Służby Zdrowia i podniósł go do godności arcybiskupa. 4 maja 2011 r. został członkiem Kongregacji ds. Kanonizacyjnych, a rok później - Kongregacji ds. Biskupów.

Abp Zimowski od półtora roku zmagał się z ciężką chorobą. Zmarł 12 lipca w szpitalu w Dąbrowie Tarnowskiej. Został pochowany w radomskiej katedrze.