Am 19. November 1646 wurde Federico Sforza zum Bischof von Rimini ernannt. Die Bischofsweihe spendete ihm am 30. Dezember desselben Jahres in der römischen Kirche "Il Gesù" Kardinal Pier Luigi Carafa; Mitkonsekratoren waren Alessandro Vittrici, Bischof von Alatri, und Ranuzio Scotti, Bischof von Borgo San Donnino. Federico Sforza nahm am Konklave 1655 teil, das Papst Alexander VII. wählte. Er optierte am 26. Juni 1656 zur Kardinalsklasse der Kardinalpriester und zur Titelkirche "San Martino ai Monti". Im selben Jahr verzichtete er auf den Bischofssitz von Rimini. Vom 13. Januar 1659 bis zum 12. Januar 1660 war er Kämmerer des Heiligen Kardinalskollegiums. Am 21. April 1659 optierte er zur Titelkirche "Sant’Anastasia" und am 21. November 1661 zu "San Pietro in Vincoli". Federico Sforza war Teilnehmer am Konklave 1667, das in die Wahl von Clemens IX. mündete. Ferner war er unter den Kardinälen, die das Konklave 1669–1670 bildeten, aus dem Clemens X. als Papst hervorging. Am 28. Januar 1675 wurde Federico Sforza auf den Bischofssitz von Tivoli transferiert.