Предвидя трудное служение в отдаленном Сибирском крае, новопоставленный святитель не отправился сразу в Иркутскую епархию, но начал подбирать образованных и духовно опытных сотрудников. Святитель Софроний посетил свою первую Красногорскую обитель, был и у святынь Киева, где испрашивал благословение на свое служение у Киево-Печерских угодников.
20 марта 1754 года святитель прибыл в Иркутск. Вначале он заехал в Вознесенский монастырь — место жительства своих предшественников, молился на могиле святителя Иннокентия (Кульчицкого, † 1731; память 26 ноября/9 декабря). Ко времени приезда святителя Софрония иркутские обители уже имели почти столетнюю историю. Основатели этих монастырей были исполнены горячим желанием иноческого, подвижнического жития.
Ознакомившись с положением дел в епархии, святитель Софроний приступил к преобразованиям в Духовной консистории, монастырях и приходах, обратился в Святейший Синод с просьбой прислать достойных людей для священнослужения в Иркутской епархии. Проницательный святитель назначал настоятелями монастырей людей благочестивых, мудрых, деятельных, с большим жизненным и духовным опытом. В 1754 году святитель Софроний возвел своего друга и сподвижника иеромонаха Синесия в архимандрита Вознесенского монастыря. Этот достопамятный настоятель послужил монастырю 33 года до своей кончины. В сентябре 1754 года святитель издал указ, в котором выражалась озабоченность обучением и воспитанием детей. Духовенству вменялось в обязанность обучение своих детей Часослову, Псалтири, пению и букварю, причем учение «должно было идти со всяким прилежанием и крайним рачением, дабы дети могли пономарскую и дьячковскую обязанность исполнять по достоинствам своим».
В проповедях и личных беседах святитель Софроний неустанно побуждал всех к более высоким нравственным идеалам. Большое внимание он уделял благоговейному и правильному совершению богослужения и таинств священнослужителями, а также следил за нравственной чистотой мирян, заботился о положении женщин в семье, охранял их от несправедливостей. Святитель Софроний старался повсеместно водворить уставное богослужение, для чего вызывал к себе священников, диаконов, дьячков и пономарей, которые сослужили во время архиерейского богослужения, участвовали в хоре или иподиаконствовали. Особыми указами он восстановил правильное каждение и благовест.
Призванный на апостольское служение в Сибири, святитель Софроний положил много трудов на просвещение язычников.
С этой целью он заботился об устройстве быта малых народов, способствовал развитию в местном населении оседлости и культуры, предлагал им для поселения монастырские земли и всячески старался изолировать от влияния язычества. К святителю постоянно приходили и приезжали из далеких мест за благословением многочисленные посетители.
Но среди многих забот он не забывал о вечности, о своей внутренней духовной жизни. Сохранилось свидетельство келейника святителя Софрония, который сообщает, что святитель «пищу употреблял самую простую и в малом количестве, служил весьма часто, большую часть ночи проводил в молитве, спал на полу».
Его подвижнический дух соответствовал общему подъему христианского духа в России вследствие подвижнических трудов святителей Феодосия, архиепископа Черниговского († 1696; память 5/18 февраля), Димитрия, митрополита Ростовского († 1709; память 28 октября/10 ноября), Иннокентия, епископа Иркутского († 1711; память 9/22 февраля).
До конца своих дней святитель Софроний сохранял любовь к Красногорской Золотоношской обители, которая взлелеяла его в дни юности. Он постоянно способствовал поддержанию в ней благолепия, посылал для этого необходимые средства.
Чувствуя ухудшение здоровья, святитель Софроний подал прошение в Синод об увольнении его на покой. Но с ответом из Петербурга медлили, потому что трудно было подобрать достойного преемника.
Последние дни жизни святитель Софроний провел в молитвенном подвиге. Скончался он в преклонных летах 30 марта 1771 года, на второй день Пасхи.
Празднование святителю Софронию установлено на Поместном Соборе Русской Православной Церкви 10–23 апреля 1928 года. На второй сессии этого Собора под председательством Святейшего Патриарха Тихона, Московского и всея Руси, была утверждена служба святителю Софронию.