Papst Clemens VIII. kreierte ihn im Konsistorium vom 5. Juni 1596 zum Kardinaldiakon. Den roten Hut erhielt Bartolomeo Cesi am 8. Juni desselben Jahres, und am 21. Juni wurde ihm "Santa Maria in Portico Octaviae" als Titeldiakonie verliehen. Vom 17. September 1597 bis 1605 war er Gouverneur von Tivoli. Als Kardinal nahm er am ersten Konklave von 1605 teil, das Papst Leo XI. wählte. Vom 1. bis zum 27. April war Kardinal Cesi Gouverneur der Stadt und Festung Benevento. Danach war er Teilnehmer am zweiten Konklave von 1605, aus dem Paul V. als Papst hervorging. Am 5. Dezember 1611 optierte Bartolomeo Cesi zur Kardinalsklasse der Kardinalpriester und für die Titelkirche "San Pietro in Vincoli". Vom 9. Januar 1612 bis zum 13. Januar 1614 war er Kämmerer des Heiligen Kardinalskollegiums. Er optierte am 7. Januar 1613 für die Titelkirche "Santa Prassede". Am 31. August 1620 optierte er zur Titelkirche "Santa Maria in Trastevere" Er nahm am Konklave 1621 mit der Wahl von Gregor XV. teil und optierte am 29. März desselben Jahres zum Titel von "San Lorenzo in Lucina". Bartolomeo Cesi war Kardinalprotopriester.