След завръщането си в Цариград разгръща още по-активна дейност в църковно-националното движение. Избран е за духовен глава на цариградските българи. За известно време предприема обиколка из българските земи, участва и в борбата на Търновската епархия против тамошния гръцки владика.

В началото на 1858 г. се връща в Цариград. През същата година е ръкоположен за епископ и става предстоятел на Българската църква в столицата на Османската империя. Това му дава право да представя своите сънародници в Цариград както пред Цариградската патриаршия, така и пред Високата порта.

На тържествената великденска литургия на 3 април 1860 г. еп. Иларион не споменава цариградския патриарх и с тази си дръзка постъпка дава открит израз на желанието на българския народ да скъса с гръцката църковна зависимост и върховенството на Цариград. Отново е заточен, този път в Мала Азия (1861-1864 г.). Преди заминаването си отправя (заедно с Авксентий Велешки) завет до българския народ да се бори до окончателното извоюване на църковната си независимост.

Последните години от живота му са не по-малко наситени. След учредяването на Българската екзархия (1870 г.) е избран във Временния екзархийски съвет и е член на първия ни Св. Синод. През 1872 г. е избран за търновски митрополит. През 1874 г. полага основите и на първото богословско училище (Петропавловската духовна семинария) в манастира "Св. Петър и Павел" край Лясковец.

Умира 4 юни 1875 година в Цариград. Там, в двора на Желязната църква "Св. Стефан", е погребан редом с Авксентий Велешки, Паисий Пловдивски, Екзарх Йосиф и други.

Племенник на владика Иларион е философът-поет Стоян Михайловски.