Am 3. Oktober 1633 wurde Kardinal Barberini zum Kardinalgroßpönitentiar ernannt und wurde damit als Nachfolger von Scipione Caffarelli Borghese Vorsteher der Apostolischen Pönitentiarie, einer als Gerichtshof des Heiligen Stuhls ausgestalteten Behörde, die unter anderem für das Gnaden- und Ablasswesen zuständig ist. Am 13. Dezember 1633 wurde er zudem zum Bibliothekar der Vatikanischen Apostolischen Bibliothek berufen. Am 7. September 1637 erfolgte seine Berufung zum Kardinalpriester von "San Pietro in Vincoli" sowie am 26. Mai 1642 zum Kardinalpriester von "Santa Maria in Trastevere". Nach dem Tode seines Bruders Papst Urban VIII. nahm er vom 9. August bis zum 15. September 1644 an dem Konklave teil, das Giovanni Battista Pamphilj zum Papst Innozenz X. wählte. Dieser zog die Nepoten seines Vorgängers zur Rechenschaft und zwang neben Francesco Barberini auch seine beiden anderen Neffen Antonio Barberini und Taddeo Barberini (1603–1647) ins Exil nach Frankreich.