Nach der Wahl dieses Papstes begann Neri Maria Corsini eine kirchliche Laufbahn. Am 14. August 1730 wurde er von seinem Onkel Clemens XII. zum Kardinal erhoben, am 8. Januar des Folgejahres wurde ihm die Titeldiakonie "Sant’Adriano al Foro" zugewiesen. Als Kardinal war er unter anderem in der römischen Inquisition tätig. Im März 1733 wurde Kardinal Corsini Präfekt der Apostolischen Signatur, was er bis zu seinem Tod blieb. Ab demselben Jahr war er durch die Erblindung Clemens’ XII. und die Berufung des als politisch schwach geltenden Kardinalstaatssekretärs Giuseppe Firrao einer der einflussreichsten Kardinäle. Kardinal Corsini erwarb 1736 mit finanzieller Unterstützung seines Onkels das Gelände des Palazzo Corsini von der Riario-Familie und ließ darauf einen Neubau errichten. 1737 wurde er Kardinaldiakon von "Sant’Eustachio". Als Kardinal nahm er an den Konklaven von 1740 (Wahl von Papst Benedikt XIV.), 1758 (Wahl von Clemens XIII.) und 1769 (Wahl von Clemens XIV.) teil. An der Wahl Clemens’ XIII. 1758 hatte er entscheidenden Anteil, sodass dieser im Folgejahr seinen Großneffen Andrea Corsini ins Kardinalskollegium aufnahm. Neri Maria Corsini stellte sich gegen den Jesuitenorden, dessen Aufhebung 1773 er jedoch nicht mehr erlebte, da er drei Jahre zuvor gestorben war.