Am 18. März 1671 wurde er in den Rang eines Kardinalbischofs erhoben und erhielt das suburbikarische Bistum Albano. Seine Bischofsweihe erfolgte am 30. März 1671 in der Kirche "Santo Stefano di Bracciano" in Rom durch Kardinal Giulio Spinola; Mitkonsekratoren waren Federico Baldeschi, Titularerzbischof von "Caesarea in Cappadocia", und Scipione de Martinis, ehemaliger Bischof von Trebinje und Mrkan. Orsini wechselte am 28. Januar 1675 auf den suburbikarischen Sitz Frascati. Am Konklave 1676, das Papst Innozenz XI. wählte, konnte er nicht mehr teilnehmen.