Od roku 1991 až do roku 2010 byl z titulu pražského arcibiskupa primasem českým, tzn. hlavou římskokatolické církve v Čechách. Byl také předsedou Československé a České biskupské konference. Tuto funkci však v roce 2000 převzal olomoucký arcibiskup Jan Graubner. Miloslav Vlk byl také prezidentem Rady evropských biskupských konferencí. Od roku 1994 zastával funkci moderátora Hnutí Fokoláre.
V dobách pronásledování katolické církve v Československu komunistickým režimem působil částečně v oficiální, státem kontrolované části církve a částečně v neoficiální tzv. skryté církvi. Biskupem se stal až po pádu komunistického režimu. Ve své funkci arcibiskupa řešil Miloslav Vlk kauzu krize katolické teologické fakulty UK a problém tajně vysvěcených kněží a biskupů, z nichž někteří byli či jsou ženatí.
Po pádu komunistického režimu se snažil obnovit církevní školství. Založil mimo jiné Arcibiskupské gymnázium v Praze, Křesťanskou pedagogicko-psychologickou poradnu a vrátil do Prahy Arcibiskupský kněžský seminář aj. Zasloužil se také o rozvoj charitativní činnosti, v roce 1993 založil Arcidiecézní charitu, i řeholního života v diecézi. Jako formální hlava katolické církve usiloval Miloslav Vlk o majetkové narovnání mezi církví a státem.
V roce 2005 se Miloslav Vlk jako jediný Čech účastnil v Římě konkláve, které zvolilo papeže Benedikta XVI., který však v roce 2013 na svou funkci rezignoval. Nahradil ho papež František I., na jehož volbě se už podíleli dva Češi, kromě Miloslava Vlka i nový kardinál Dominik Duka.
V roce 2007 si Miloslav Vlk založil osobní webové stránky. V témže roce podal u příležitosti svých 75. narozenin rezignaci na arcibiskupský úřad, papež Benedikt XVI. ji ale nepřijal a požádal ho, aby v úřadu setrval ještě dva roky. V roce 2010 odešel do důchodu, v pozici pražského arcibiskupa ho nahradil Dominik Duka. I na odpočinku se ale aktivně zapojoval do veřejného dění, například opakovaně kritizoval prezidenta Miloše Zemana.
Na přelomu let 2016 a 2017 diagnostikovali lékaři kardinálu Vlkovi rakovinu. S rakovinou plic s metastázemi do kostí bojoval Miloslav Vlk několik měsíců, 18. března 2017 však této zákeřné nemoci podlehl.
Aktivně hovořil německy a italsky, pasivně ovládal ruštinu, francouzštinu, latinu a esperanto.