Papst Alexander VIII. kreierte Francesco Barberini im Konsistorium vom 13. November 1690 zum Kardinaldiakon unter Dispens vom Erfordernis des Empfangs der niederen Weihen sowie vom Hindernis, dass bereits sein Onkel und sein Cousin dem Kardinalskollegium angehörten. Den Kardinalshut und die Titeldiakonie "Sant’Angelo in Pescheria" verlieh der Papst ihm am 27. November desselben Jahres. Er nahm am Konklave 1691 teil, das Papst Innozenz XII. wählte. Dieser entsandte ihn am 4. Januar 1694 als Legaten in die Romandiola. Die niederen Weihen empfing Barberini am 14. Februar 1694, die Weihe zum Subdiakon folgte am 22. November 1699 und die Diakonenweihe am 26. September 1700. Er war Teilnehmer des Konklave 1700, aus dem Clemens XI. als Papst hervorging. Ab 1704 war er Kommendatarabt der Klöster Farfa und Subiaco. Am 6. Mai 1715 wurde er Kardinalpriester und bekam die Titelkirche "San Bernardo alle Terme" zugewiesen. Die Priesterweihe empfing er am 15. September 1715. Am 11. Mai 1718 wechselte er zur Titelkirche "Santa Prassede".