Unter Papst Gregor XVI. war Polidori zunächst Pro-Sekretär für innerkirchliche Angelegenheiten, ehe er vom Papst am 23. Juni 1834 als Kardinalpriester von "Sant’Eusebio" ins Kardinalskollegium aufgenommen wurde. An 1839 optierte er auf die Titelkirche "Santa Prassede" und wurde 1841 Präfekt der Konzilskongregation. Die Bischofsweihe empfing er am 11. Februar 1844 durch den Papst selbst, nachdem er von diesem zum Titularerzbischof von "Tarsus" ernannt worden war; Mitkonsekratoren waren Kardinal Costantino Patrizi Naro, Generalvikar Seiner Heiligkeit für die Stadt Rom, und Kardinal Gabriele Ferretti, Präfekt der Kongregation für die Ablässe und Reliquien. Nach dem Tod Gregors XVI. gehörte Kardinal Polidori zu den Teilnehmern des Konklaves von 1846, das Pius IX. zum Nachfolger wählte. In diesem Konklave führte er den gemäßigten Flügel des Kardinalskollegiums an.