28 февраля 1748 г. Варлаам был назначен на Великоустюжскую и Тотемскую кафедру. Прибыв в епархию 28 мая того же года, развернул широкую строительную деятельность. 17 июля 1748 г. освятил верхний храм церкви во имя Параскевы Пятницы в Великом Устюге, в 1753 г. – престол в южном приделе верхнего храма в честь Собора архангела Гавриила в архангельском во имя архангела Михаила монастыре, 14 июля 1755 г. – новопостроенную церковь в честь Тихвинской иконы Божьей Матери близ Устюга. В 1754 г. на отливку 1054-пудового колокола для устюжского Успенского собора пожертвовал 2000 руб. келейных денег и столько же казённых архиерейского дома, отлитый колокол получил имя Варлаам. В 1749 г. на реке Стриге был сооружён загородный архиерейский дом с огромным комплексом хозяйственных построек. На строительные работы Варлаам в качестве наказания назначал духовных лиц, в частности, пруды в загородной архиерейской резиденции, своими излучинами составлявшие вензель преосвященного «ЕВ», были выкопаны руками провинившегося духовенства. Для повышения уровня грамотности среди духовенства издал указ о непременном знании клириками наизусть «Букваря» архиепископа Феофана (Прокоповича) и «Сокращённого катехизиса» под страхом штрафа и отрешения от места (указ основан на «Духовном регламенте»). За время управления Варлаамом епархией на её территории имели место три самосожжения старообрядцев: в 1748 (53 человека), 1753 (170 человек) и 1757 гг. 26 апреля 1751 г. Варлаам просил об увольнении на покой в киевский Выдубицкий монастырь, ссылаясь на «неимение мирного жития» и скорбь от «бессовестных недоброхотов и ябедников», доносивших на него в Синод; 27 февраля 1752 г. вторично просил об увольнении из-за болезни. В 1754 г. по доносу архимандрита устюжского Архангельского монастыря Боголепа началось следствие о злоупотреблениях Варлаама. Он обвинялся в разорении монастырей и приходских церквей, вымогательстве денег у духовенства, исправлении приходно-расходных монастырских книг, использовании священно- и церковнослужителей на строительных работах, жестоком обращении с духовенством и рабочими. 1 июля 1756 г. деятельность следственной комиссии Синода, которую возглавляли архимандрит Антониево-Сийского монастыря Леонтий и подполковник И. Дятлов, завершилась практически безрезультатно. 22 ноября 1759 г. по причине болезни Варлаама Синод велел совершать священнические и дьяконские хиротонии ставленников Устюжской епархии Вологодскому и Вятскому епископам. Варлаам погребен в Успенском соборе Великого Устюга. Согласно его завещанию, в храмы, монастыри, частным лицам и нищим убогим роздано свыше 3200 руб. Отличался деспотическим характером, имел склонность к роскоши, часто устраивал пиршества. По выражению Николая Семёновича Лескова, «мог бы постоять за дело веры, но, к сожалению, не оно его занимало».