Впоследствии, будучи настоятелем трех монастырей: Ростовского Борисоглебского (1852 — 1856), Воскресенского, Новый Иерусалим именуемого (1856 — 1860), и Московского Данилова (1870 — 1888), архимандрит Амфилохий издает множество научных трудов, среди которых — фундаментальное «Описание рукописей и старопечатных книг Воскресенской Ново-Иерусалимской библиотеки» (М., 1875 — 1876), куда вошли описания 242 рукописей XI—XVIII веков и 135 печатных книг XVI — XVII веков.
В 1888 году архимандрит Амфилохий, к тому времени уже член-корреспондент Академии Наук по греческой и славянской палеографии, был рукоположен во епископа Угличского и назначен хранителем древностей Ростовского Кремля. Жил он в Спасо-Яковлевском монастыре, где почивают мощи святителя Димитрия Ростовского, изучению трудов которого Владыка Амфилохий посвятил последние пять лет своей жизни.
Епископ Амфилохий преставился ко Господу 20 июля (ст.ст.) 1893 года. Погребен в церкви преп. Сергия Радонежского, на первом этаже Спасского храма Спасо-Яковлевского монастыря.