Le 1er avril 1873, Rome le nomme évêque coadjuteur de Mgr Bourget, avec future succession. Il reçoit l’ordination épiscopale en l’église du Gesù, des mains de Mgr Alexandre Taschereau, archevêque de Québec.
À la démission de Mgr Bourget, le 16 mai, 1876, il devient le troisième évêque de Montréal. Il a quarante-neuf ans. Dix ans plus tard, le 8 juin 1886, Rome le nomme premier archevêque de Montréal avec, comme suffragants, les évêques de Saint-Hyacinthe et de Sherbrooke.
Incidemment, c’est sous Mgr Fabre que s’effectuera une troisième partition du diocèse par la création en 1892, du diocèse de Valleyfield, au sud-est du territoire initial.
Pendant les vingt années de son épiscopat comme évêque titulaire de Montréal, il n’aura pas d’auxiliaire et devra présider toutes les célébrations importantes. Il ordonnera 210 prêtres de son diocèse, auxquels il faut ajouter 820 autres prêtres, appartenant à 88 diocèses canadiens, américains ou autres, prêtres formés par le Grand Séminaire de Montréal; il confirmera 222 438 enfants, fera 1 254 visites de paroisses… Ses qualités de liturgiste et de président d’assemblée seront largement mises à profit.
À l’instar de Mgr Bourget, il accueillera dans son diocèse dix communautés religieuses venues d’Europe : les Petites Sœurs des Pauvres, les Trappistes, les Rédemptoristes, les Pères du Saint-Sacrement, les Franciscains, les Montfortains, les Frères Maristes, les Frères de Saint-Gabriel, les Frères du Sacré-Cœur, les Frères de l’Instruction Chrétienne.
Une forte crise économique durant le dernier quart du XIXe siècle, et qui sévit particulièrement entre les années 1879 et 1884, obligera Mgr Fabre à faire face à de grandes difficultés financières dans son diocèse. Taux élevé de chômage, fort accroissement de la population urbaine due à l’immigration et à la venue de milliers d’habitants en ville, déstabiliseront toute l’économie de Montréal. L’Archevêché prend d’abord en charge la dette cumulative de 840 000 $ des seize nouvelles paroisses de l’île de Montréal. Puis, dans sa lettre circulaire du 10 juin 1879, Mgr Fabre propose quelques solutions pratiques. Il demande à chaque Fabrique un prêt de 1 000 $ sans intérêt, fait de même pour les communautés religieuses, pour les particuliers plus à l’aise. On organise bazars, soirées récréatives, quêtes, dons. Mgr Bourget, retraité et malade, s’offre à quêter lui-même un peu partout.
Mgr Fabre veille néanmoins à ce que l’Église de Montréal manifeste la plus grande générosité possible envers les chômeurs et leurs familles. Avec un de ses prêtres, le populaire curé Antoine Labelle, il promeut la colonisation…
La situation économique s’étant améliorée, les travaux de construction de la cathédrale Saint-Jacques, interrompus pendant sept ans, peuvent reprendre en 1885. Ils seront achevés en 1894, soit 42 ans après l’incendie de la précédente cathédrale érigée sous Mgr Bourget.
Signalons encore les démarches entreprises par Mgr Fabre pour faire avancer la cause de l’Université de Montréal. La Congrégation de la Propagande, de qui relevait alors la chartre pontificale de l’université, avait promis à celle-ci un statut de succursale de l’Université Laval. Grâce à la constitutionjamdudum du 2 février 1889, obtenue de Rome par Mgr Fabre, l’Université de Montréal devient quasi indépendante. L’incorporation nouvelle et l’ouverture de cours à l’automne 1890 sanctionnent l’existence des facultés de théologie, droit, médecine, arts.
À travers ses actes pastoraux; visites, rencontres, célébrations, comme dans sa gestion rigoureuse et ses initiatives sociales et culturelles, Mgr Fabre s’est toujours montré homme affable, jovial, conciliateur, supérieurement intelligent. Sa bonhomie et sa popularité faisaient qu’il était très à l’aise en présence de toutes les catégories de personnes. Ce qui ne l’empêchait cependant pas de hausser le ton, parfois avec un certain rigorisme, pour condamner des conduites ou des déviances qu’il estimait néfastes pour ses diocésains.
Il laissera à son successeur un diocèse en bonne santé, avec ses 450 000 fidèles, ses 503 prêtres diocésains ou religieux, ses 33 communautés de femmes et d’hommes, ses 164 paroisses.
Mgr Édouard-Charles Fabre meurt le 30 décembre 1896 dans sa résidence épiscopale, à l’âge de 69 ans, entouré de la sollicitude de ses prêtres. À sa demande, il n’y aura pas d’éloge funèbre lors de ses obsèques. Ses restes mortels reposent à la Cathédrale, dans la chapelle funéraire des évêques.