Papst Gregor XIII. ernannte ihn im Konsistorium vom 12. Dezember 1583 zum Kardinalpriester. Der rote Hut und die Titelkirche "San Marco" wurden ihm am 14. Januar 1585 verliehen. Agostino Valier blieb dem Konklave 1585 mit der Wahl von Papst Sixtus V. fern. Er war vom 8. Februar 1587 bis zum 14. März 1597 Präfekt der Indexkongregation. Am ersten Konklave 1590 mit der Wahl von Papst Urban VII. nahm er teil, ebenso am zweiten Konklave desselben Jahres, an dem Papst Gregor XIV. gewählt wurde. Auch beim Konklave 1591 war Agostino Valier unter den Kardinälen, die Innozenz IX. zum Papst erhoben; ferner nahm er 1592 an dem Konklave teil, aus dem Clemens VIII. als Papst hervorging. Vom 8. Januar 1596 bis 1597 war Agostino Valier Kämmerer des Heiligen Kardinalskollegiums. Er nahm an beiden Konklaven des Jahres 1605 teil, im März mit der Wahl von Leo XI. und im Mai mit der Wahl von Paul V. zum Papst. Am 1. Juni 1605 optierte Agostino Valier zur Kardinalsklasse der Kardinalbischöfe und für das suburbikarische Bistum Palestrina. Er wurde der Kongregation für das Heilige Offizium und den Index zugeteilt und zum Examinator der Bischöfe ernannt. Zur Verwaltung des Bistums Verona wurde ihm sein Neffe Alberto Valeri, Titularbischof von "Famagusta", als Koadjutor mit dem Recht der Nachfolge an die Seite gestellt.