Nel 1859, alla morte dell'arcivescovo Carlo Bartolomeo Romilli, il capitolo della cattedrale nominò il Caccia Dominioni al ruolo di amministratore diocesano durante il periodo di sede vacante. Per la successione alla sede milanese, lo stesso Caccia Dominioni era uno dei candidati possibili, ma il papa Pio IX, di comune accordo con l'Imperatore d'Austria, scelse di eleggere al suo posto il più conservatore Paolo Angelo Ballerini, già vicario del Romilli. La situazione era quantomai critica in quanto poco dopo la morte dell'arcivescovo Romilli, l'Impero austriaco era stato sconfitto nella Battaglia di Magenta dall'esercito franco-piemontese che l'8 giugno 1859 era entrato in Milano. Il nuovo governo piemontese si rifiutò di riconoscere il Ballerini come arcivescovo di Milano (proprio perché prescelto dal papa e dall'Imperatore di comune accordo) e per tale motivo Carlo Caccia Dominioni venne costretto ad assumere "de facto" l'incarico di arcivescovo di Milano.