Однако исполнение епископских обязанностей отнюдь не мешало ему продолжать научную работу. Кароль Войтыла занимался главным образом проблемами этики, и особенно вопросами сексуальной этики, а точнее, христианским пониманием этих категорий, их отношением к религии, к вере. В своих трудах он пользовался хотя и современной, но в основном феноменологической методикой; в ней находили выражение традиционные положения церкви. Воздействие этих основных научных установок сказывается и поныне в его папских проповедях, в намерениях и устремлениях Апостольского престола.
Среди высоко поднявшихся церковных иерархов Кароль Войтыла выделялся не только как ученый, литератор, прекрасный знаток многих иностранных языков, но и своими спортивными наклонностями, которые он полностью сохранил; более того, он отличался и поэтическим даром, что в условиях церкви, особенно тогдашней польской церкви, считалось чуть ли не скандальным делом. С ранней юности Войтыла писал стихи, которые и в бытность его уже священником и епископом публиковались и в католической печати (правда, под различными псевдонимами). В 1960 году епископ Войтыла написал, а затем и опубликовал под писательским псевдонимом Анджей Явиен пьесу «Лавка золотых дел мастера» («Лавка ювелира») о супружеской верности. Пьеса с тех пор переведена на многие языки и с успехом ставилась на сценах крупных театров.
На первую сессию II Ватиканского собора титулярный епископ Кароль Войтыла прибыл в качестве викария Краковского епископства, а покинул Рим после торжественного закрытия собора, в декабре 1965 года, общеизвестным и пользующимся большим авторитетом архиепископом. Духовный пастырь Войтыла считал важным пастырский характер II Ватиканского собора; главной целью этого могло бы быть обновление христианской духовности. На соборе он выступал уверенно, умно и с успехом, что можно отнести — наряду со знанием языков — и к его оригинальному мышлению. Кардиналы и епископы мировой церкви хорошо узнали Войтылу за годы собора (1962–1965); со многими он установил и личные контакты. Авторитет принесли ему сравнительно частые, ясные и действенные выступления, сыгравшие роль в окончательном формулировании отдельных документов собора. Войтыла обратил на себя внимание не только своими выступлениями на пленарных заседаниях, но и успешной теологической работой, проделанной им в комиссиях.
18 января 1964 года папа Павел VI назначил титулярного епископа Кароля Войтылу архиепископом и митрополитом Кракова. 18 марта того же года нового митрополита официально ввели в этот сан в Вавельском архиепископском кафедральном соборе, и тем самым Войтыла стал самым молодым главой епархии в польской церковной иерархии. Его церковная карьера стала круто подниматься вверх. 26 июля 1967 года на тайной консистории папа Павел VI объявил, что среди других он возводит в сан кардинала и краковского архиепископа. На другой день в Сикстинской капелле на полуофициальном заседании консистории папа надел архиепископу Войтыле на голову красный берет. Тем самым польский кардинал был произведен в иерархи, имеющие право избирать папу и быть избранным папой.