Из сохранившихся в записях дел святителя Питирима первым его делом по прибытии на Тамбовскую кафедру значится выдача во дни Святой Пасхи 1686 года грамоты Козловскому монастырю на построение каменного соборного храма во имя Святой Троицы. Повсюду стали строиться храмы, благолепному украшению которых святитель Питирим придавал особое значение. Дело это было особенно трудным из-за крайней нищеты населения. Умелое руководство и личная нестяжательность святителя позволили ему при малочисленных средствах достигнуть в этом деле значительных результатов. Только в Тамбове было построено несколько храмов — свой для каждой слободы города. После кончины святителя в епархии было 168 храмов.
Особую пастырскую заботу проявил святитель о монастырях. По его инициативе были построены и новые обители: женская Вознесенская в Тамбове (1692 г.), игуменией которой стала сестра святителя Екатерина, и мужская Тригуляевская во имя Крестителя Господня Иоанна (1691 г.) в семи верстах от Тамбова, в пустынном, окруженном лесами месте. Название эта обитель получила в связи с тем, что святитель Питирим любил уединение. Тонко ощущая красоту родной природы, которая возбуждала в нем чувство молитвенной благодарности к Творцу видимого мира, он при всякой возможности гулял в окрестностях Тамбова и в одиночестве предавался богомыслию. Однажды (15 сентября 1688 года) он, совершая прогулку с навестившим его святителем Митрофаном Воронежским и благочестивым иноком Иннокентием, просил у них совета о выборе места для построения обители. Все трое пришли в уединенное место, которое и благословили для основания обители.
Заботясь о благолепном украшении храмов и монастырей, святитель Питирим старался, чтобы и населенные пункты имели вид христианских поселений. Так, сразу по прибытии в Тамбов на крепостных воротах и в городских слободах, около караульных постов он установил распятия Христа Спасителя и иконы Божией Матери, которые привез с собой. Ограждая город иконами, святитель вверял его покрову Господа и Божией Матери и возбуждал в жителях благочестие. Привезенная святителем Питиримом копия чудотворной Смоленской иконы Божией Матери, выполненная, возможно, им самим, была поставлена в Преображенском кафедральном соборе в Тамбове. Эта икона, а также привезенные святителем Казанская (также написанная, вероятно, им самим) и Ильинско-Черниговская, получившая затем название Тамбовской иконы, были родительским благословением святителя.
Много трудов приложил святитель для обращения в христианство язычников и магометан и для вразумления раскольников. Край, где прежде процветали грабежи и разбой, благодаря трудам и молитве святителя Питирима стал краем религиозным. Обращение святителя к пастве отличались кротостью и доступностью. Объезжая свою епархию с проповедью слова Божия, святитель словом искренней любви к пастве, кротостью и смирением сеял в душах семена веры и благочестия. Святитель отличался удивительным снисхождением даже к нравственно падшим людям. Со всеми он обращался одинаково, ровно и кротко, как истинный друг и брат. В то же время он был по-отечески требователен. Его двери были открыты для всех приходивших за советом и помощью. Нетребовательный в личной жизни, он все свои средства тратил на храмы, монастыри и нужды ближних. Избегая всяких удобств, святитель совершал поездки по епархии в простой повозке.
Вновь открытые храмы требовали новых пастырей. Одной из забот святителя Питирима было избрание и подготовка кандидатов в священники. Он неукоснительно требовал, чтобы прихожане избирали кандидатами только грамотных людей. В своем доме он устроил специальную школу, где сам готовил избранного к принятию священного сана.
В 1694 году святитель Питирим приступил к строительству каменного кафедрального собора. Он не только внимательно следил за постройкой храма, но даже сам участвовал в строительных работах. Закончен он был уже после его кончины. При святителе был освящен только южный придел в нижнем этаже собора — во имя святителя и чудотворца Николая. Новый собор святитель снабдил за свой счет необходимой утварью, ризами (одна из риз святителя Питирима была передана позднее святителю Иннокентию Иркутскому).
Святитель Питирим с детства любил богослужение. Он часто служил и заботился о благоговейном исполнении служб, внятном пении и чтении. Нередко он сам становился на клирос, чтобы научить певцов правильному пению. Святитель учил свою паству с благоговением относиться к священным предметам. Заботясь о торжественности богослужений, он установил в праздничные дни крестные ходы из соборного храма в тот храм, где были престольные торжества.
Слава о святительских трудах Тамбовского архипастыря распространилась за пределами епархии. О нем было хорошо известно при дворе московских государей Иоанна и Петра Алексеевичей, которые неоднократно удовлетворяли прошения святителя Питирима о нуждах епархии. В 1690 году святитель Питирим участвовал в Соборе Русской Церкви, избравшим Святейшего Патриарха Адриана (1690-1700).
На архиерейской кафедре святитель Питирим не только не ослабил подвижнические труды, но еще более усилил монашеские подвиги. Среди благочестивых душевных занятий он не оставлял и физический труд. Около архиерейского дома святитель своими руками выкопал колодец, над которым позднее была построена часовня, а с 1868 года к нему стал совершаться крестный ход для освящения воды. Однажды во время тяжелой болезни святителя Питирима Господь утешил его дивным видением. Во время молитвы святитель просил не здравия и продления жизни, но с любовью и надеждой испрашивал оставления грехов и дарования вечной жизни в Царстве Небесном. Он обратился с просьбой ходатайствовать о нем к своему покровителю, которому молился всю жизнь, — святому Прокопию Декаполиту. Во время этой молитвы ему явился преподобный Прокопий и стал молить о нем Господа. По молитве преподобного в облаке явился Спаситель и благословил святителя Питирима. После кончины святителя это явление было запечатлено на иконе, помещенной над его гробницей.
После болезни, во время которой святителю явился Господь и преподобный Прокопий, святитель Питирим прожил еще около трех лет. Но силы не вернулись к нему полностью и он постоянно недомогал, поэтому он не смог закончить многие из своих начинаний, в частности, достроить кафедральный собор. Кончина святого последовала 28 июля 1698 года в возрасте 53 лет. Он был с честью погребен в освященном им Никольском приделе нового кафедрального собора, над могилой его была устроена деревянная резная гробница.
После блаженной кончины святителя Питирима его духовная связь с паствой не прервалась. Сначала память святителя совершалась в Тамбовской епархии местно. От его гробницы совершались исцеления больных. В начале XIX века в тамбовском кафедральном соборе была заведена книга, в которой отмечались чудесные исцеления от гробницы святителя. Эти записи свидетельствуют, что к святителю Питириму с просьбой обращались не только православные, но и иноверцы. Божественные откровения побуждали людей со всех концов России ехать в Тамбов за благодатной помощью, истекавшей от гробницы еще не прославленного святого. В 1914 году, 28 июля, святитель Питирим был причислен к лику святых Русской Церкви.
Веры и благочестия наставниче, Церкве светильниче, монашествующих образе, святителю Питириме премудре, стадо твое благочестно упасл еси и ко Христу привел еси, темже в вышних венцем славы украшен, с нами на земли духом пребываеши, сияя чудесы. Моли Христа Бога спастися душам нашим.
Монахов наставника изрядна и святителя всем людем милостива, чудотворца предивна и молитвенника о нас неусыпна, сошедшеся, воспоим Питирима, Тамбовския земли похвалу.
Благословен и препрославлен Господь Бог, призвавый тя, святителю отче наш Питириме, от перваго часа делателя в виноград Свой, явивый в тебе послушание воли Его неуклонное, ревность Предтечеву и любовь Павлову, таже и на свещник Церкве Тамбовския тя поставивый и архиереа велика тя показавый. Благодатию святительства укрепляем и огнем любве Христовы распаляем, не дал еси, пастырю наш добрый, сна очима твоима, ниже веждома дремания, на всяк день труждаяся, моляся и благовествуя, неверныя просвещая, заблудшия вразумляя, падшия восставляя, немощныя укрепляя, плачущия утешая, всем быв вся, яко же святый Павел, да всяко некия спасеши. Егда же время делания твоего в вертограде волю Владыки Христа исполнися и отшел еси от земныя в селения горняя прияти мзду трудов твоих, дадеся ти, угодниче Божий, Престолу Царя славы с лики святых предстояти и оттуду паству твою назирати, за ны грешныя молитися, немощи немощных носити, недуги целити, скорби утоляти. Сего ради от дне блаженного успения твоего вернии не престаша притекати к тебе в скорбех и болезнех, и онии прикосновением ризы твоя, онии от воды из кладезя твоего избавление улучаху. Темже и ныне, к цельбоносному гробу твоему сошедшеся, славим Бога, дивнаго во святых Своих, и тебе, отче священнейший, величаем и молим: не отступай от нас любовию твоею, сохраняй молитвами твоими Церковь Православную незыблему от неверия и раскола, страну же Российскую от бед и напастей защити, мир и безмятежие той даруя, от всяких врагов огради, пастырем Церкве Святыя благопоспеши, дела рук их исправи и ревностию о спасении врученного им словесного стада сердца их распали, вся же ны в послушании спасительному благовестию Христову соблюди и дело спасения, яко едино на потребу вменяти помози, да купно с тобою едиными усты и единым сердцем вся на всяк день и час поем и славим Спаса Христа со Отцем и Святым Духом во веки веков. Аминь.
О великий угодниче Божий и преславный чудотворче, святителю Питириме! К тебе смиренно припадаем и усердно молимся: яви нам грешным любовь твою отеческую и многомощное твое заступление. Веруем бо, яко велие дерзновение имаши ко Господу и яко много может предстательство твое пред Престолом Благости Его. Сохрани молитвами твоими Церковь Святую от ересей и расколов, от суеверия и неверия. Испроси нам веру праву, надежду несомненну, любовь нелицемерну, в добрых делах преспеяние, во искушениих мужество, в злостраданих терпение, в молитвах постоянство, мир и благоустроение стране нашей, здравие же и спасение людем ея. Призри милостивно на предстоящия и молящихся пред святою иконою твоею и вся прошения их во благо