Am 18. Februar 2009 ernannte PapstBenedikt XVI. Matthias Heinrich zum Titularbischof von Thibaris und zum Weihbischof in Berlin. Gleichzeitig wurde die Emeritierung des bisherigen Weihbischofs in Berlin, Wolfgang Weider, zum April bekanntgegeben. Die Bischofsweihe spendete ihm Georg Kardinal Sterzinsky am 19. April desselben Jahres in der St.-Hedwigs-Kathedrale; Mitkonsekratoren waren der Erzbischof von Köln, Joachim Kardinal Meisner, und der emeritierte Berliner Weihbischof Wolfgang Weider. Aus Anlass seiner Ernennung wählte sich Matthias Heinrich den bischöflichen WahlspruchIllum oportet crescere („Er muss wachsen“), der dem Johannesevangelium (Joh 3,30 EU) entstammt.
Vom 24. Februar 2011 bis zur Amtseinführung des neuen Berliner Erzbischofs Rainer Maria Woelki am 27. August 2011 leitete Heinrich gemäß den Bestimmungen des Kirchenrechts zunächst kommissarisch die Amtsgeschäfte des Erzbistums Berlins, bis ihn das Domkapitel am 28. Februar 2011 zum Diözesanadministrator wählte.[2] Mit Wirkung zum 1. März 2012 gab Weihbischof Heinrich die Leitung des Personaldezernats ab und übernahm das Offizialat von Tobias Przytarski, der zum Generalvikar ernannt wurde.[3] Erzbischof Heiner Koch bestätigte ihn als Offizial und ernannte ihn mit Wirkung vom 1. Dezember 2015 zusätzlich zum Bischofsvikar für die Ökumene.[4]
Heinrich gehört zu der 15%igen Minderheit der deutschen Bischöfe, die eine Frauenordination immer noch vollständig ablehnen; auf dem Synodalen Weg in Deutschland stimmte er 2022 und 2023 sowohl gegen eine Überprüfung des Ausschlusses der Frauen vom Priesteramt durch den Vatikan als auch gegen den Zugang der Frauen zum Diakonat, der niedrigsten Ordinationsstufe.[7]