Abp Stanisław Dziwisz mianowany na urząd metropolity krakowskiego 3 czerwca 2005 r. przez papieża Benedykta XVI. Paliusz otrzymał 29 czerwca w Bazylice św. Piotra w Rzymie, a 27 sierpnia odbył liturgiczny ingres do katedry na Wawelu oraz kanonicznie objął swój urząd.

Od papieża Benedykta XVI otrzymał również kapelusz kardynalski na konsystorzu 24 marca 2006 r. Swój kościół tytularny w Rzymie – bazylikę Santa Maria del Popolo - Najświętszej Maryi Panny Wszystkich Ludzi - objął 24 października 2006 r.

Kardynał był członkiem Kongregacji Wychowania Katolickiego oraz trzech papieskich rad: do spraw Środków Społecznego Przekazu, Świeckich oraz Duszpasterstwa Służby Zdrowia. Należy do Rady Stałej Konferencji Episkopatu Polski

W 2013 wziął udział w konklawe, na którym papieżem został wybrany Jorge Mario Bergoglio.

Gościł w Krakowie dwóch papieży: Benedykta XVI w 2006 r. i Franciszka w 2016 r.

Przewodniczył pracy komitetu organizacyjnego Światowych Dni Młodzieży, które w lipcu 2016 roku zgromadziły w Krakowie ponad 2 miliony młodych ludzi z ponad 180 krajów świata. 

Kustosz i promotor dziedzictwa św. Jana Pawła II

Z inicjatywy kard. Dziwisza w październiku 2008 r. w Krakowie na Białych Morzach rozpoczęto budowę Centrum „Nie lękajcie się!” oraz Sanktuarium św. Jana Pawła II, które Kardynał konsekrował 16 października 2016 r. W sanktuarium znajdują się relikwie papieskiej krwi oraz skrwawiona sutanna Jana Pawła II, którą nosił w dniu zamachu 13 maja 1981 r.

Kontynuując spotkania międzyreligijne w Asyżu zainicjowane przez Jana Pawła II, we wrześniu 2009 r. zorganizował Kongres dla Pokoju „Asyż w Krakowie”, który zgromadził ok 500 przedstawicieli różnych religii z całego świata.

Współzałożyciel Fundacji Jana Pawła II oraz Centrum Dokumentacji i Studium Pontyfikatu w Rzymie.

Staraniem Metropolity Krakowskiego, doszło do wykupu domu w Wadowicach, w którym w dzieciństwie mieszkał Karol Wojtyła i przekazania go Archidiecezji. W kwietniu 2014 r. w budynku tym otwarto nowoczesne Muzeum Dom Rodzinny Ojca Świętego Jana Pawła II.

Jako Arcybiskup Krakowski pełnił urząd Wielkiego Kanclerza Papieskiej Akademii Teologicznej w Krakowie. Jego staraniem w 2009 r. został powołany Uniwersytet Papieski Jana Pawła II w Krakowie.

Stał na czele komitetu honorowego Dni Jana Pawła II, corocznego wydarzenia organizowanego przez krakowskie i małopolskie uczelnie wyższe, które ma na celu upamiętnienie postaci Świętego Jana Pawła II i popularyzacji jego dziedzictwa w społeczności akademickiej Krakowa i całej Małopolski.

Dziedzictwo nauczania Jana Pawła II starał się również upowszechniać poprzez opublikowane książki „Świadectwo” i „U boku Świętego”. Na podstawie bestselleru „Świadectwo” powstał film o tym samym tytule.

Śladem swoich poprzedników, kard. Karola Wojtyły oraz kard. Franciszka Macharskiego, szerzył kult Bożego Miłosierdzia. W październiku 2011 r. w Łagiewnikach odbył się II Światowy Kongres Bożego Miłosierdzia. Metropolita Krakowski powołał do życia Międzynarodową Akademię Miłosierdzia Bożego w Krakowie oraz zainaugurował peregrynację cudownego obrazu Jezusa Miłosiernego we wszystkich parafiach archidiecezji, która stała się początkiem podobnych inicjatyw w innych diecezjach w Polsce i na świecie.   

Działalność duszpasterska

Arcybiskup wyświęcił 191 księży diecezjalnych i zakonnych.

Podczas przeszło 11 lat posługi, odwiedził niemal wszystkie parafie archidiecezji krakowskiej, a w 75 z nich odbył wizytacje kanoniczną. Erygował 30 nowych parafii, 8 rektoratów oraz kapelanię cmentarną na Batowicach.

Inicjował i wspierał procesy beatyfikacyjne i kanonizacyjne w archidiecezji krakowskiej. Najważniejszym była beatyfikacja i kanonizacja św. Jana Pawła II. Ponadto ogłoszono dwóch świętych krakowskich (św. Szymon w Lipnicy – 2007, św. Stanisław Kazimierczyk - 2007) oraz pięciu błogosławionych (bł. s. Celina Borzęcka - 2007, bł. Małgorzata  Łucja Szewczyk - 2013, bł. s. Zofia Czeska-Maciejowska - 2013, bł. s. Klara Ludwika Szczęsna - 2015 oraz bł. ks. Władysław Bukowiński - 2016).  Zakończono procesy diecezjalne kolejnych kandydatów na ołtarze (m.in. Rozalia Celak, Kunegunda Siwiec, ks. Piotr Skarga, s. Teresa od Jezusa).

Działalność charytatywna

Aktywnie i wytrwale wspierał działalność diecezjalnej Caritas. Z inicjatywy Kardynała 19 marca 2006 r. w Krakowie przy ul. Przybyszewskiego otwarto pierwsze w Polsce „Okno Życia”, dzięki czemu w ciągu 10 lat uratowano 20 noworodków. Zapoczątkowało to podobne „okna” w Polsce, których dzisiaj jest blisko 60.

W archidiecezji krakowskiej rozpoczęły działalność nowe ośrodki pomocy chorym, niepełnosprawnym i ubogim, np. Stacja Opieki Caritas w Nowym Targu, Centrum Pomocy Dla Osób Niepełnosprawnych „Anioły na Górce” w Spytkowicach, Dom Campus Misericordiae Dla Osób Starszych i Niepełnosprawnych oraz Magazyn Żywności „Dom Chleba” w Brzegach koło Wieliczki.

Kard. Dziwisz osobiście wspierał powstanie i funkcjonowanie Zakładu Opiekuńczo-Leczniczego im. Św. Siostry Faustyny w rodzinnej Rabie Wyżnej.

W kwietniu 2014 w związku z ukończeniem 75 roku życia, zgodnie z przepisami prawa kanonicznego, oddał się do dyspozycji Ojca Świętego. Rezygnacja została przyjęta 8 grudnia 2016 r., jednocześnie do czasu kanonicznego objęcia urzędu przez jego następcę, tj. do dnia 28 stycznia 2017, papież Franciszek zlecił kard. Dziwiszowi pełnienie funkcji administratora apostolskiego archidiecezji.