Ab Mai 1891 war er Offizial der römischen Kurie und ab 1892 deren Präfekt. Am 16. Dezember 1896 wurde er Erzpriester der Patriarchalbasilika "Santa Maria Maggiore". 1898 nahm er als päpstlicher Gesandter an einem Eucharistischen Kongress in Brüssel teil. Am 19. April 1900 wurde er zum Kardinalbischof von Palestrina erhoben und 1902 zum Präfekten der Konzilskongregation ernannt. Nach Leos Tod nahm Kardinal Vannutelli am Konklave 1903 teil. 1904 reiste er als Legat nach Armagh, um der Einweihung der St. Patrick’s Cathedral beizuwohnen. Papst Pius X. bestellte ihn am 20. Oktober 1908 zum Präfekten der Apostolischen Signatur, dem Obersten Gerichtshof der römischen Kurie. Er entsandte ihn auch zu mehreren Eucharistischen Kongressen, die während seines Pontifikates stattfanden. Nach dem Tod des Papstes nahm er am Konklave 1914 teil. Benedikt XV. bestellte ihn 1914 zum Präfekten der Kongregation für die Zeremonien.