2 kwietnia 2020 papież Franciszek mianował go prefektem apostolskim Ułan Bator oraz biskupem tytularnym Castra Severiana. Święcenia biskupie otrzymał 8 sierpnia 2020 w sanktuarium Matki Bożej Pocieszenia w Turynie. Udzielił mu ich kardynał Luis Antonio Tagle, prefekt Kongregacji ds. Ewangelizacji Narodów, któremu asystowali Cesare Nosiglia, arcybiskup metropolita turyński, i kardynał Severino Poletto, arcybiskup senior turyński. Jako zawołanie biskupie przyjął słowa „Respicite ad eum et illuminamini” (Spójrzcie na Niego i promieniejcie radością), zaczerpnięte z Psalmu 34 (Ps 34,6).
29 maja 2022 podczas modlitwy Regina Coeli papież Franciszek zapowiedział włączenie go do Kolegium Kardynałów, a 27 sierpnia 2022 w trakcie konsystorza w bazylice św. Piotra kreował go kardynałem prezbiterem, nadając mu jako kościół tytularny kościół św. Judy Tadeusza. 21 maja 2023 uroczyście objął swój kościół tytularny w Rzymie. Kardynał Marengo był najmłodszym mianowanym członkiem Kolegium Kardynałów Świętego Kościoła Rzymskiego od czasu kreacji Karola Wojtyły.
7 października 2022 papież Franciszek mianował go członkiem Dykasterii ds. Ewangelizacji. Brał udział w konklawe 2025, które wybrało papieża Leona XIV.