Im Konsistorium vom 26. November 1753 ernannte Papst Benedikt XIV. Luigi Maria Torrigiani zum Kardinaldiakon. Den roten Hut erhielt er am 29. November und die Titeldiakonie "Santi Cosma e Damiano" am 10. Dezember desselben Jahres. Kardinal Torrigiani optierte am 22. April 1754 für die Titeldiakonie "Santi Vito e Modesto". Er gehörte den Kongregationen für die kirchliche Immunität, für die gute Regierung, der Konsistorialkongregation, der Dombauhütte von St. Peter und der Kongregation für die Wasserversorgung an, daneben besaß er zahlreiche Benefizien als Kommendatarabt. Als Sekretär diente er unter anderem der Kongregation der "Consulta". Am 1. Juni 1754 empfing er die niederen Weihen und tags darauf die Weihe zum Subdiakonat. Von Juni bis September 1756 war er Pro-Camerlengo der Römischen Kirche. Luigi Maria Torrigiani nahm als Kardinal am Konklave 1758 teil, das Papst Clemens XIII. erwählte. Vom 8. Oktober 1758 bis zum 2. Februar 1769 war er Kardinalstaatssekretär als Nachfolger des verstorbenen Kardinals Alberico Archinto. Der Papst ernannte ihn hierzu gegen die mehrheitliche Auffassung des Kardinalskollegiums, das annahm, Kardinal Torrigiani hätte nicht die Befähigung zum Umgang mit den Fürstenhöfen, da er sich nie außerhalb Roms aufgehalten hätte und sie ihm einen rauen, unnachgiebigen Charakter zuschrieben; tatsächlich erlebte der Papst eine Reihe von Kontroversen, die sein Staatssekretär mit verschiedenen christlichen Fürsten entfachte. Am 22. April 1765 optierte er für die Titeldiakonie "Sant’Agata in Suburra". Luigi Maria Torrigiani nahm am Konklave 1769 teil, aus dem Clemens XIV. als Papst hervorging. Als Kardinalstaatssekretär wurde er durch Kardinal Lazzaro Opizio Pallavicini ersetzt. Auch beim Konklave 1774–1775 war Luigi Maria Torrigiani unter den wahlberechtigten Kardinälen, als Pius VI. zum Papst gewählt wurde. Vom 22. Februar 1775 bis zu seinem Tod war er Sekretär der Kongregation der römischen und allgemeinen Inquisition.