Через год, в 1949 году, архиепископ Сапега вернул Войтылу в Краков, и начиная с этого момента и вплоть до его избрания папой Кароль Войтыла был в центре интеллектуальной жизни этого города. Его первое назначение здесь было связано с воспитанием молодежи: архиепископ назначил его руководителем духовно-пастырской работы в университете. 1951 год принес новый поворот в жизни Войтылы: он приступил к изучению философской антропологии немецкого философа Макса Шелера. Так, начиная с 1951 года он в течение двух лет слушал лекции по этике на теологическом факультете Ягеллонского университета. Войтыла несомненно продвинулся и в научной работе и на основе своих исследований Шелера в 1953 году выдержал конкурс на приват-доцента в Люблинском католическом университете. В эти годы им опубликовано много научных работ. В 1954 году он принял предложение возглавить институт этики Люблинского университета (руководство институтом он осуществлял из Кракова). Войтыла зарекомендовал себя отличным профессором, который наряду с преподаванием продолжал заниматься научной работой, литературой и духовно-пастырской деятельностью. Папа Пий XII 2 июля 1958 года присвоил Каролю Войтыле сан титулярного епископа, и Войтыла стал помощником тогдашнего епископа-администратора Краковской апостолической епархии. Будущий папа стал, таким образом, епископом сравнительно молодым — в 38 лет. В качестве помощника епископа большой Краковской епархии он должен был выполнять управленческие функции. В этой ипостаси епископ Войтыла смог детально познакомиться со сложным механизмом управления церковью и в ходе посещений церковных приходов — со всей епархией, с ее повседневной пасторской действительностью, а благодаря этому — с польской католической церковью и с подлинной картиной «реального социализма».
Однако исполнение епископских обязанностей отнюдь не мешало ему продолжать научную работу. Кароль Войтыла занимался главным образом проблемами этики, и особенно вопросами сексуальной этики, а точнее, христианским пониманием этих категорий, их отношением к религии, к вере. В своих трудах он пользовался хотя и современной, но в основном феноменологической методикой; в ней находили выражение традиционные положения церкви. Воздействие этих основных научных установок сказывается и поныне в его папских проповедях, в намерениях и устремлениях Апостольского престола.
Среди высоко поднявшихся церковных иерархов Кароль Войтыла выделялся не только как ученый, литератор, прекрасный знаток многих иностранных языков, но и своими спортивными наклонностями, которые он полностью сохранил; более того, он отличался и поэтическим даром, что в условиях церкви, особенно тогдашней польской церкви, считалось чуть ли не скандальным делом. С ранней юности Войтыла писал стихи, которые и в бытность его уже священником и епископом публиковались и в католической печати (правда, под различными псевдонимами). В 1960 году епископ Войтыла написал, а затем и опубликовал под писательским псевдонимом Анджей Явиен пьесу «Лавка золотых дел мастера» («Лавка ювелира») о супружеской верности. Пьеса с тех пор переведена на многие языки и с успехом ставилась на сценах крупных театров.
На первую сессию II Ватиканского собора титулярный епископ Кароль Войтыла прибыл в качестве викария Краковского епископства, а покинул Рим после торжественного закрытия собора, в декабре 1965 года, общеизвестным и пользующимся большим авторитетом архиепископом. Духовный пастырь Войтыла считал важным пастырский характер II Ватиканского собора; главной целью этого могло бы быть обновление христианской духовности. На соборе он выступал уверенно, умно и с успехом, что можно отнести — наряду со знанием языков — и к его оригинальному мышлению. Кардиналы и епископы мировой церкви хорошо узнали Войтылу за годы собора (1962–1965); со многими он установил и личные контакты. Авторитет принесли ему сравнительно частые, ясные и действенные выступления, сыгравшие роль в окончательном формулировании отдельных документов собора. Войтыла обратил на себя внимание не только своими выступлениями на пленарных заседаниях, но и успешной теологической работой, проделанной им в комиссиях.