W trakcie sprawowania rządów w Państwie Kościelnym Francesco Barberini dorobił się ogromnej fortuny oraz pokaźnej klienteli, ale także wielu wrogów. Na konklawe 1644 po śmierci Urbana VIII bezskutecznie próbował przeforsować kandydaturę swojego sojusznika, kardynała Giulio Sacchetti. W rezultacie papieżem został kandydat kompromisowy, kardynał Pamphilj jako Innocenty X. Pod naciskiem opinii publicznej wszczął on śledztwo w sprawie pochodzenia majątku rodu Barberini, oskarżając ich o nielegalne wzbogacenie się kosztem majątku Stolicy Apostolskiej. Francesco i jego bracia Antonio i Taddeo, którzy zostali dodatkowo oskarżeni o defraudację funduszy kościelnych w trakcie wojny o Castro (1642-44), uciekli do Francji pod opiekę kardynała Mazarina. W 1648 Francesco uzyskał papieskie przebaczenie i powrócił do Rzymu, gdzie osiadł w swym pałacu rodowym (Antonio wrócił dopiero w 1653, a Taddeo zmarł w Paryżu w 1647). W latach 1653-1655 należał do zwolenników donny Olimpii Maidalchini, bratowej Innocentego X, która wywierała znaczny wpływ na jego rządy. Przyjaźń Francesca z Olimpią była następstwem aliansu matrymonialnego między oboma rodami. Uczestniczył w konklawe 1655, w wyniku którego papieżem został Aleksander VII Chigi. Od tej pory swoją aktywność kościelno-polityczną ograniczał ściśle do zadań wykonywanych w związku z pełnionymi funkcjami kościelnymi. Z uwagi na długość stażu kardynalskiego, stopniowo wzrastała jego ranga wewnątrz Kolegium Kardynałów i ostatecznie w 1666 objął funkcję dziekana Świętego Kolegium. Przewodniczył konklawe 1667, 1669-70, 1676.