Papst Alexander VII. erhob Antonio Bichi im Konsistorium vom 9. April 1657 "in pectore" zum Kardinal, dies wurde im Konsistorium vom 10. November 1659 öffentlich bekanntgemacht. Den Kardinalshut und "Sant’Agostino" als Titelkirche empfing Antonio Bichi am 1. Dezember desselben Jahres. Vom 17. April 1662 bis 1667 war er Legat in Urbino. Als Kardinal nahm er am Konklave 1667 teil, das Papst Clemens IX. wählte. Am 14. November 1667 optierte er zur Titelkirche "Santa Maria degli Angeli". Antonio Bichi war Teilnehmer am Konklave 1669–1670, aus dem Clemens X. als Papst hervorging. Er nahm ferner am Konklave 1676 teil, bei dem Innozenz XI. zum Papst gewählt wurde. Am 3. März 1687 optierte er für die Kardinalsklasse der Kardinalbischöfe und für das suburbikarische Bistum Palestrina, hatte jedoch weiterhin den Bischofssitz von Osimo inne. Auch beim Konklave 1689 war er anwesend, als Alexander VIII. zum Papst gewählt wurde.