Im Februar 1838 wurde Antonio Maria Cadolini zum Bischof von Ancona und Numana ernannt. Am 19. Juni 1843 nahm Papst Gregor XVI. ihn als Kardinalpriester mit der Titelkirche "San Clemente" in das Kardinalskollegium auf. Cadolini war Teilnehmer am Konklave von 1846, das Papst Pius IX. wählte. 1849 musste er an der Kapitulation der von den Österreichern belagerten Stadt mitwirken, um die Schäden für die Zivilbevölkerung zu begrenzen. Im Oktober 1850 weigerte er sich, am Empfang des Feldmarschalls Radetzky in der besetzten Stadt teilzunehmen, was ihm Sympathien unter den Bürgern eintrug.