Den 21 oktober 2003 upphöjde påve Johannes Paulus II Antonelli till kardinal med Sant'Andrea delle Fratte som titelkyrka. Han deltog i konklaven 2005, vilken valde Benedikt XVI till ny påve. Från 2008 till 2012 var Antonelli ordförande för Påvliga rådet för familjen och 2013 deltog han i konklaven, vilken valde Franciskus till ny påve.