Am 12. Juni 1673 erhielt Francesco Nerli von Papst Clemens X. den Kardinalshut und wurde zum Kardinalpriester mit der Titelkirche "San Matteo in Merulana" ernannt; zwei Monate später wurde er Kardinalstaatssekretär. Damit war er nach seinem gleichnamigen Onkel der zweite Kardinal der Familie. Er nahm am Konklave 1676 teil, das Innozenz XI. zum Papst wählte. Der neue Papst ernannte mit Alderano Cibo sogleich einen neuen Staatssekretär. Dafür wurde Kardinal Nerli 1684 Kämmerer des Heiligen Kardinalskollegiums, was er ein Jahr blieb. Nachdem er zwei Jahre zuvor als Erzbischof von Florenz abgetreten war, wurde er am 1. Oktober 1685 Bischof von Assisi mit dem persönlichen Titel eines Erzbischofs. Kurz nach dem Konklave 1689 gab er das Bistum Assisi wieder ab. Als 73-Jähriger wurde Francesco Nerli 1704 Erzpriester der Vatikanbasilika und erhielt wenig später die Titelkirche "San Lorenzo in Lucina", zugleich war er als dienstältester Kardinalpriester Kardinalprotopriester.