Vescovo a Mantova e Patriarca di Venezia

Nel 1893 viene designato Patriarca di Venezia. In tale veste sale, a dorso di mulo, sul Monte Grappa per l'inaugurazione di un sacello e la benedizione di una immagine della Vergine, il 4 Agosto del 1901.

Riceve la consacrazione a vescovo di Mantova nel 1884. Qui  dedica cure particolari al Seminario, poiché, come afferma in una sua lettera pastorale, dall'educazione dei chierici si possono avere buoni preti, fulcro della  morale e della religiosità della Diocesi.

Nel 1903, alla morte del Papa Leone XIII, il cardinale Sarto parte da Venezia per partecipare al conclave. Ai veneziani dice "Torno, torno; o vivo o morto ritorno!"