В тысяча восемьсот сорок пятом году епископ Варлаам (Успенский) вступил в управление Архангельской и Холмогорской епархией. Одна из наиболее обширных в Русской Православной Церкви, она простиралась от Кольского полуострова на северо-западе до Карского моря на северо-востоке. На этих просторах жили русские, саамы, карелы, ненцы. Большинство жителей держались Православия, хотя немало было также старообрядцев и язычников.

Чтобы ознакомиться с епархией, владыка Варлаам предпринимал длительные разъезды, в ходе которых знакомился с духовенством и паствой, проповедовал, освящал новые храмы. «Ездил он чрезвычайно много, — писал его биограф Сергей Артоболевский, — не оставив без своего посещения, кажется, ни одного уголка».

Когда преосвященный Варлаам вступил в управление епархией, в ней было более двухсот тридцати действующих церквей. Трудами архиерея к ним добавилось ещё двадцать пять храмов, причём преимущественно в местах, где жили коренные народы Севера — карелы и саамы. Последних в то время называли «лопарями». Возрождение так называемых «лопарских» приходов является одной из заслуг владыки Варлаама. Он просил Святейший Синод о поставлении викарного епископа, который бы сосредоточился только на проповеди неправославным, но поддержан не был.

Однако архиерей смог создать миссию для просвещения иноверцев и старообрядцев Кемского, Онежского и Архангельского уездов. Он и сам лично занимался проповедью неправославным. Например, в октябре тысяча восемьсот сорок шестого года в Архангельске им были крещены шестьдесят семь иудеев.

Заслугой епископа Варлаама стало также развитие образования. По его инициативе было открыто духовное училище в Шенкурске, а также подготовлено открытие училища для девиц, начавшее работу уже после его назначения на Пензенскую кафедру в тысяча восемьсот пятьдесят четвёртом году.

В тысяча восемьсот шестьдесят втором году владыка Варлаам стал архиепископом Тобольским и Сибирским. Вновь ему была поручена огромная северная епархия. Он объездил её от края до края, добираясь и до Обдорска (нынешнего Салехарда). Ехал он на запряжённых оленями санях, ночевал зачастую в чумах у хантов, проповедовал им веру и узнавал их быт. «На всём этом пространстве, — писал глава Обдорской миссии протоиерей Михаил Путинцев, — только два русских селения, и кроме них нет ни одной русской избы, везде только холодные юрты, так что прозябшему в дороге старцу-владыке приходилось греться на каждой станции у так называемого чувала», то есть печки.

Целью поездок было в том числе развитие проповеди среди коренных жителей крайнего севера — хантов, ненцев, коми и других. Видя среди них подчас крайнюю нищету, владыка Варлаам из своих личных средств выделял ежегодные пособия для неимущих. Стараниями архиерея также было улучшено материальное содержание духовенства, а Обдорской миссии передана новая походная церковь. Также был учреждён Тазовский миссионерский стан (на территории нынешнего Ямало-Ненецкого автономного округа) и Сургутская миссия.

Именно по ходатайству архиепископа Варлаама в тысяча восемьсот шестьдесят седьмом году Святейший Синод предписал священникам не менее трёх раз в год посещать кочевья коренных народов Севера и Сибири. Проповеди православия содействовало и создание в тысяча восемьсот семьдесят втором году Тобольского комитета Православного миссионерского общества. В том же году архиепископ Варлаам ушёл на покой.

Свои дни он окончил в тысяча восемьсот семьдесят шестом году в Белгороде и был погребён в пещере, где почивали мощи горячо им любимого святителя Иоасафа Белгородского. Лишь после смерти владыки Варлаама стало известно, что архипастырь носил тяжёлые железные вериги, подобно древним подвижникам.

Архиепископ Варлаам остался в церковной летописи девятнадцатого века как один из самых незаурядных архипастырей. Он имел строгий, однако не злобный нрав, был честен, прям, справедлив.

Как написал о нём сибирский священник и историк девятнадцатого века Александр Сулоцкий, владыка Варлаам — «такой, каких дай Бог и везде!»