Решением Священного Синода РПЦ от 16 марта 2012 года архимандрит Нил (Сычев) избран епископом Муромским, викарием Владимирской епархии.

2 мая того же года хиротонию Нила в московском Покровском монастыре возглавил Патриарх Московский и всея Руси Кирилл. 16 июля 2013 года Св. Синодом назначен правящим епископом вновь образованной Муромской и Вязниковской епархии, а также 2 октября того же года утвержден в должности священноархимандрита Муромского Преображенского монастыря.

17 июля 2020 года Св. Синодом владыка Нил был утвержден священноархимандритом Благовещенского мужского монастыря города Мурома.

2 июля 2021 года защитил магистерскую диссертацию на тему «История почитания святых князя Петра и княгини Февронии в церковной и духовной публицистике и искусстве» в Казанской духовной семинарии.