Нашёл епархиальные дела в чрезвычайном расстройстве из-за длительного отсутствия архиерея в епархии. Много усилий предпринял для восстановления епархиального управления: в 1867 г. возобновил выборы благочинных, которые прекратились после смерти архиепископа Филарета (Гумилевского), издал распоряжение о запрете закрепления мест за девушками-сиротами из духовного сословия (до выхода аналогичного указа Синода), прекратил приём не получивших полного семинарского образования выходцев из других епархий, которые прежде получали места, женясь на сиротах; на священнические места назначал только окончивших богословский курс семинарии; издал распоряжение, чтобы никто из духовенства не просил о переводе на другой приход раньше, чем через пять лет службы на прежнем месте, за исключением крайней необходимости; обратил особое внимание на злоупотребления со стороны священнослужителей при совершении исповеди, предложив ряд мер для разрешения конфликтных ситуаций. Делал распоряжения по упорядочению времени богослужения, найдя в Черниговской епархии обычай служить в будни утреню сразу после вечерни и всенощное бдение с вечера, запретил эту практику как «противную уставу православной Церкви и обычаю всей православной России». Предписал составлять церковные летописи по образцу, установленному им для церквей Оренбургской епархии. 20 декабря 1867 г. был разбит параличом, лишь 22 июля следующего года смог отслужить литургию. По ходатайству Варлаама 21 августа 1868 г. в Черниговской епархии было учреждено Новгород-Северское викариатство. 16 августа 1871 г. Варлаам был уволен на покой и удалился в новгород-северский в честь Преображения Господня монастырь, где вёл затворническую жизнь, не виделся ни с кем, кроме настоятеля и духовника. Погребён в Ильинской церкви монастыря. Он был выдающимся проповедником, его поучения печатались в разных изданиях, выходили отдельными книгами (за пожертвование на военные надобности 200 руб. серебром, вырученных от продажи своей книги «Беседы и слова», в 1857 г. архиерей получил благодарность императора Александра II). Варлаам составил «Службу преподобному отцу нашему Нилу Сорскому Чудотворцу» (М., 1860 г.), которого особо чтил и духовное наследие которого изучал. Будучи членом комиссии по описанию библиотеки и архива Кирилло-Белозерского монастыря, опубликовал несколько описаний рукописей и издал ряд древнерусских текстов. Составил жизнеописание епископа Иринея (Боголюбова). Был награждён орденом св. Анны второй степени (1852 г.), знаком ордена, украшенным императорской короной (1855 г.), орденом св. Анны первой степени (1865 г.), орденом св. равноапостольного князя Владимира третьей степени (1859 г.), бронзовым крестом на владимирской ленте (в память о войне 1853–1856 гг.).