2 декабря 1655 Патриархом Никоном был поставлен митрополитом Сарским и Подонским. Сарский и Подонский митрополит имел епархию лишь на бумаге и фактически исполнял роль управляющего делами при патриархе.
Когда Никон оставил патриарший престол, как митрополит Сарский, стал исполнять его обязанности, но без титула Патриаршего Местоблюстителя; действовал без сношений с Никоном, но по "по государеву цареву указу".
В 1662, в Неделю православия, был торжественно анафематствован Никоном. Примечательно, что одна из "вин", вменявшихся ему Никоном, было самовольное поставление в мае 1661 года епископа Мстиславского Мефодия (бывший Нежинский протопоп Максим Филимонович) Блюстителем Киевской митрополии, которая тогда была в юрисдикции Константинопольского Патриархата, — вместо Лазаря Барановича
5 августа 1664 года митрополит Питирим был соборно избран "на высочайшую степень великого Нова Града и Великих Лук митрополита".
Во время суда над Никоном Питирим являлся одним из злейших врагов и грубейших обвинителей патриарха, надеясь, очевидно, занять после свержения Никона патриарший престол. Это ему не удалось; патриархом был избран Иоасаф.
7 июля 1672 был возведён на патриарший престол, будучи уже весьма болен. Восьмой Патриарх Московский и всея Руси (июль 1672 — апрель 1673).
Из-за болезни к делам управления был призван митрополит Иоаким.
В 1672 году крестил в Московском Чудовом монастыре будущего Императора Российского Петра I.
Заступился (печалование) перед царем за боярыню Федосью Морозову и сестру её княгиню Евдокию Урусову, пребывавших в заточении за "сумасбродную лютость" в защите "старой веры", предлагая царю вернуть ей дом и имение; царь счёл предложение неуместным.
9 апреля 1673 года скончался. Погребён в Успенском соборе Кремля.