Mit dem Rücktritt Juan Francisco Aragones am 20. November 1940 folgte Antonio María Barbieri diesem als Erzbischof von Montevideo nach. 1953 erhielt er den Titel eines Päpstlichen Thronassistenten. Papst Johannes XXIII. nahm ihn am 15. Dezember 1958 als Kardinalpriester mit der Titelkirche "San Crisogono" in das Kardinalskollegium auf. In den Jahren 1962 bis 1965 nahm Antonio María Barbieri am Zweiten Vatikanischen Konzil teil, ebenso war er Teilnehmer am Konklave 1963, bei dem Papst Paul VI. gewählt wurde. Die Leitung des Erzbistums Montevideo legte er am 17. November 1976 aus Altersgründen nieder.