ตั้งแต่วันที่ ๑๙ ธันวาคม ๒๕๕๘ พระพรหมวชิรญาณ เป็นผู้แทนผู้ปฏิบัติหน้าที่สมเด็จพระสังฆราช ในนามคณะสงฆ์ไทยเดินทางจากท่าอากาศยานนานาชาติสุวรรณภูมิ ถึงท่าอากาศยานนานาชาติจังหวัดเสียมเรียบ ประเทศกัมพูชา โดยมีเจ้าหญิงศรีสวัสดิ์ แก้วโสมาการิธาระกา และ เจ้าหญิงศรีสวัสดิ์ แก้วกุสุมะเนียรีรัตนา พระธิดาในเจ้าหญิงนโรดม รังสีจันดารา ท่านผู้หญิงญึก บุญทา ศาสนาจารย์กระทรวงศึกษาธิการ แห่งราชอาณาจักรกัมพูชา และคณะผู้จัดงานถวายการต้อนรับ
จากนั้นพระพรหมวชิรญาณ ได้เดินทางไปยังบริเวณโบราณสถาน "นครวัด นครธม" เมืองเสียบเรียบ ประเทศกัมพูชา เพื่อปฏิบัติศาสนกิจ ในพิธีทำบุญอุทิศถวายแด่บูรพกษัตริย์และวีรชนแห่งราชอาณาจักรกัมพูชา ตามที่คณะรัฐบาล ร่วมกับพุทธสมาคมแห่งราชอาณาจักรกัมพูชา จัดขึ้น ระหว่างวันที่ ๑๘-๒๐ ธันวาคม ๒๕๕๘ โดยมีสมเด็จพระสังฆราชแห่งราชอาณาจักรกัมพูชา เป็นประธานฝ่ายบรรพชิต และคุณหญิงแมน สำออน รองนายกรัฐมนตรีแห่งราชอาณาจักรกัมพูชา เป็นประธานฝ่ายคฤหัสถ์ โดยมีผู้ร่วมพิธีเป็นจำนวนมาก อาทิ พระราชวงศ์แห่งราชอาณาจักรกัมพูชา ผู้ว่าราชการจังหวัดเสียบเรียบ ข้าราชการชั้นผู้ใหญ่ พระสงฆ์กว่า ๔,๐๐๐ รูป ประชาชนชาวกัมพูชา และประชาชนชาวไทยรวมนับหมื่นคน
ภายหลังเสร็จสิ้นศาสนกิจ พระพรหมวชิรญาณ พร้อมด้วยคณะติดตาม ได้เดินทางไปยังกรุงพนมเปญ เมืองหลวงของประเทศกัมพูชา เพื่อให้เจ้าหญิงศรีสวัสดิ์ พงษ์เนียรีมุนีพงศ์ เจ้าหญิงนโรดม รังสีจันดารา พร้อมด้วยสมาชิกพระราชวงศ์แห่งราชอาณาจักรกัมพูชา ผู้แทนรัฐบาล ข้าราชการชั้นผู้ใหญ่ ตลอดจนชาวไทยและชาวกัมพูชาที่อาศัยอยู่ในกรุงพนมเปญ เข้ากราบถวายสักการะ ณ ห้องรับรองโรงแรมซานฮาล กรุงพนมเปญ
ทั้งนี้ ก่อนเดินทางกลับในวันอังคารที่ ๒๒ ธันวาคม ๒๕๕๘ เจ้าหญิงนโรดม รังสีจันดารา และพระธิดา ได้กราบนิมนต์พระพรหมวชิรญาณ เดินทางไปเยี่ยมชมการดำเนินงานขององค์กรอุ้มชูดูแลเด็กกำพร้าประเทศกัมพูชา ที่จังหวัดกำปงสปือ ประเทศกัมพูชา โดยพระพรหมวชิรญาณ ได้ร่วมมอบปัจจัยและทุนการศึกษาเพื่อให้องค์กรอุ้มชูดูแลเด็กกำพร้าประเทศกัมพูชา ได้ใช้ในการดำเนินงานช่วยเหลือดูแลเด็กกำพร้าต่อไป
การปฏิบัติศาสนกิจของพระพรหมวชิรญาณในนามคณะสงฆ์ไทยครั้งนี้ นอกจากเป็นการกระชับความสัมพันธ์ระหว่างราชอาณาจักรไทย และราชอาณาจักรกัมพูชาแล้ว ยังเป็นการแสดงถึงความผูกพันของทั้งสองประเทศที่มีพระพุทธศาสนาเป็นศูนย์กลางความศรัทธาร่วมกันมายาวนาน ดังสัมโมทนียกถาของพระพรหมวชิรญาณโดยสรุปว่า
"คนไทย และกัมพูชานั้น เป็นพี่น้องกัน แม้ประวัติศาสตร์บางช่วงตอนอาจกระทบกระทั่ง ขัดแย้งกันอยู่บ้าง ก็เป็นเรื่องธรรมดาของการปกครอง แต่ในทางจิตหรือทางธรรมนั้นไม่ต่างกัน ทุกคนจึงควรมีธรรมะเป็นหลักทางใจ และเป็นแนวทางในการใช้ชีวิต เพราะหากขาดธรรมะแล้ว คนก็ไม่ต่างจากสัตว์เดรัจฉาน จึงควรสั่งสมความดี เชื่อในกฎแห่งกรรม และตอบแทนคุณแผ่นดินเกิดของตน".