Im Konsistorium vom 29. November 1719 erhob Papst Clemens XI. ihn zum Kardinalpriester und verlieh ihm am 15. April 1720 den Kardinalshut sowie die Titelkirche "San Girolamo degli Schiavoni". Cornelio Bentivoglio war seit dem 20. März 1720 Legat in der Romagna und blieb dies bis zum Januar 1727. Er nahm am Konklave 1721 teil, bei dem Papst Innozenz XIII. gewählt wurde. Auch beim Konklave 1724, aus dem Benedikt XIII. als Papst hervorging, war er unter den wahlberechtigten Kardinälen. Im Jahre 1726 wurde Cornelio Bentivoglio Bevollmächtigter Minister des Königreichs Spanien, diese Position behielt er bis zu seinem Tod. Vom 20. Januar 1727 bis zum 26. Januar 1728 war er Kämmerer des Heiligen Kardinalskollegiums. Am 25. Juni 1727 wechselte er zur Titelkirche "Santa Cecilia". Er war Teilnehmer am Konklave 1730, das Clemens XII. zum Papst wählte, und brachte im Konklave die Exklusive des spanischen Königs Philipp V. gegen die Wahl der Kardinäle Giuseppe Renato Imperiali und Antonio Felice Zondadari vor.