В 1851 г. по ходатайству Варлаама был возобновлён упраздненный в 1764 г. Кожеезерский в честь Богоявления Господня мужской монастырь, благоустроен архиерейский дом. Проявил самоотверженность во время холерной эпидемии 1848 г. и пожаров в Архангельске в 1847 и 1851 гг., истребивших почти весь город. После девяти лет пребывания на кафедре Варлаам был вынужден с ней расстаться из-за столкновения с архангельским военным губернатором вице-адмиралом Романом Платоновичем Бойлем, англичанином по происхождению, в действиях которого епископ усмотрел покровительство английскому флоту, вошедшему в Белое море и грабившему монастыри и храмы на островах. В донесении военному министру Р.П. Бойль обвинил Варлаама в том, что своими проповедями и действиями он внушает населению недоверие к властям. Присланный для расследования Олонецкий архиепископ Аркадий (Фёдоров) занял сторону Р.П. Бойля. В сентябре 1854 г. Варлаам был вызван в Санкт-Петербург, где доложил императору Николаю I о своём деле и был им оправдан. В том же году 4 декабря был переведён в Пензу, 22 апреля 1860 г. возведён в сан архиепископа. В качестве чрезвычайной меры по борьбе с расколом предлагал созвать поместный Собор, план которого изложил в отчёте Синоду за 1861 г. При Варлааме был построен новый корпус для консистории, приведён в порядок её архив, в полтора раза увеличен капитал на попечительство о бедном духовенстве, произведён капитальный ремонт здания духовной семинарии, отремонтирован кафедральный собор. С пребыванием Варлаама в Пензе связан факт биографии Василия Осиповича Ключевского. Будучи одним из лучших учеников Пензенской духовной семинарии и кандидатом в академию, будущий историк неожиданно для всех в декабре 1860 г. подал заявление об увольнении. Поскольку В.О. Ключевский был на казённом содержании, начальство духовной семинарии воспротивилось, но Варлаам решил дело в пользу просителя. 7 октября 1862 г. Варлаама назначили архиепископом Тобольским и Сибирским; ввиду преклонного возраста просил оставить его в Пензе, но просьба была отклонена, и он прибыл в Тобольск 12 декабря. Большое внимание уделял духовно-учебному делу и повышению образовательного уровня духовенства. В 1866 г. открыл женское епархиальное училище при Междугорском во имя Иоанна Предтечи монастыре. В декабре 1870 г. было учреждено для Тобольской епархии Берёзовское викариатство. 12 апреля 1872 г. Варлаам по старости был уволен на покой с настоятельством в Троицком белгородском монастыре. Погребён в монастырской соборной церкви близ пещеры, где находились мощи Белгородского епископа Иоасафа (Горленко), о прославлении которого Варлаам возбудил в Синоде дело. С ранних лет он отличался любовью к астрономии, собирал специальные книги и приборы для наблюдений, написал несколько сочинений, посвящённых различным календарным системам и проблемам расчёта пасхалии (не опубликованы): «Взгляд на Великий индиктион» (1857 г.), «Взгляд на календарь юлианский, григорианский и вернейший их египетский» (1858 г.), «Исследование. О поверхности всего пасхального круга, XIV Великим Индиктионом допускаемого; о несходстве этого Индиктиона с церковным лунником и о неправильной придаче к эре христианской 8-ми лет, вопреки самых древних и коренных указаний церковной истории» (1865 г.), «Решение спора, продолжавшегося более 16 столетий между апостольскими церквами, Восточною и Западною, о времени празднования Пасхи» (1865 г.). Первые два труда получили отрицательные отзывы Московского митрополита Филарета (Дроздова) и профессора Московской духовной академии протоиерея Петра Спиридоновича Делицына и были отвергнуты Синодом; по-видимому, также не были приняты и два последующих труда. Варлаам был прекрасным проповедником, некоторые проповеди опубликованы в различных епархиальных и губернских ведомостях и отдельными изданиями. Был награждён орденами св. Анны первой степени (1849 г.) и св. Анны первой степени, украшенным императорской короной (1858 г.).