Am 6. Dezember 1915 ernannte Papst Benedikt XV. Vannutelli zum Kardinaldekan und damit auch zum Kardinalbischof von Ostia, ein Amt, das er bis zu seinem Tode innehatte. 1916 erfolgte zudem die Bestellung zum Pro-Datar der Apostolischen Datarie. Nach Benedikts Tod rief er die Kardinäle in seiner Funktion als Kardinaldekan zum Konklave 1922 zusammen. Papst Pius XI. betraute ihn mit den Vorbereitungen des Jubeljahres 1925. Fünf Jahre später starb Vincenzo Vannutelli nach einer Nierenentzündung mit 93 Jahren in Rom. Er war zu diesem Zeitpunkt ältestes Mitglied des Kardinalskollegiums.