Papst Leo XIII. nahm ihn am 14. März 1887 als Kardinalpriester mit der Titelkirche "Santa Sabina" in das Kardinalskollegium auf. 1888 wurde er Präfekt der Kongregation für Ablässe und die heiligen Reliquien, 1891 Kämmerer des Heiligen Kardinalskollegiums. Ab Januar 1893 bekleidete er für sechs Monate das Amt des Erzbischofs von Bologna, bevor er zum Kardinalbischof von Frascati ernannt wurde. Von Dezember 1893 bis Oktober 1896 leitete Kardinal Vannutelli zudem als Präfekt die Indexkongregation. Am 20. November 1899 folgte die Ernennung zum Kardinalgroßpönitentiar und von 1903 bis 1908 war Vannutelli Sekretär der Heiligen Inquisition. 1913 wurde er Dekan des Kardinalskollegiums und Kardinalbischof von Ostia-Velletri. Als solcher leitete er im Folgejahr das Konklave, das Benedikt XV. zum Papst wählte.