El papa León XIII, en 1902, le nombró obispo coadyutor para la diócesis de Penne, haciéndole al mismo tiempo obispo titular de Eudossiade.
[2] En el episcopado se caracterizó por sus predicaciones, conferencias y cartas pastorales.
Contribuyó a la formación de nuevos institutos religiosos, pidiendo fundaciones de comunidades en su diócesis y aprobando él mismo algunas congregaciones religiosas nacientes.
[3] Di Tommaso se retiró a los 88 años del ejercicio pastoral.
En 1947 regresó a su pueblo natal, mientras era nombrado obispo titular de Cirene.