Bei der Papstwahl im März 1605 erreichte Baronius die einfache Stimmenmehrheit, weigerte sich jedoch hartnäckig, das Amt anzunehmen mit dem Argument, er sei unwürdig, sodass schließlich Alessandro Ottaviano de’Medici gewählt wurde. Nach anderen Quellen scheiterte seine Wahl am Widerstand der spanischen Partei unter den Papstwählern. Er nahm nach dem frühen Tod des Medici-Papstes Leo XI. auch am zweiten Konklave des Jahres 1605 teil.