Im Konsistorium vom 19. Januar 1626 erhob Papst Urban VIII. ihn zum Kardinalpriester. Am 16. (oder 17.) März 1626 wurde Giulio Cesare Sacchetti auf den Bischofssitz von Fano transferiert, dieses Bischofsamt gab er vor dem 16. September 1635 auf. Den Kardinalshut und die Titelkirche "Santa Susanna" empfing er am 2. Dezember 1626. Vom 8. März 1627 bis Mai 1630 war er Legat in Ferrara. Ferner war er Legat in Bologna vom 20. April 1637 bis zum 30. Mai 1640. Am 22. Juni 1640 wurde er Präfekt der Gerichtshöfe der Apostolischen Signatur und vom 7. Januar 1641 bis zum 13. Januar 1642 war er Kämmerer des Heiligen Kardinalskollegiums. Giulio Cesare Sacchetti nahm am Konklave 1644 teil, das Papst Innozenz X. wählte; während des Konklaves sprach Kardinal Gil Carrillo de Albornoz für das Königreich Spanien die Exklusive gegen die Wahl von Kardinal Sacchetti zum Papst aus. Am 29. April 1652 wechselte Giulio Cesare Sacchetti zur Titelkirche "Santa Maria in Trastevere". Er wurde am 23. September 1652 zum Kardinalbischof erhoben und erhielt das suburbikarische Bistum Frascati. Auch am Konklave 1655 nahm er teil, als Alexander VII. zum Papst gewählt wurde, wiederum wurde seine eigene Wahl durch die Exklusive der Spanier verhindert. Am 1. Juni 1655 wurde er Präfekt der Ritenkongregation, was er bis zu seinem Tode blieb. Am 11. Oktober 1655 wechselte er auf den suburbikarischen Bischofssitz von Sabina. Schließlich wurde er am 28. Juli 1661 Präfekt der Konzilskongregation, auch dieses Amt bekleidete er bis zu seinem Tod.