Papst Innozenz X. ernannte ihn am 15. Dezember 1653 zum Lateinischen (Titular-)Patriarchen von Jerusalem. Die Bischofsweihe spendete ihm am 4. Januar 1654 in der römischen Kirche "San Silvestro al Quirinale" Kardinal Fabio Chigi; Mitkonsekratoren waren Erzbischof Giulio Rospigliosi, der spätere Papst Clemens IX., sowie Taddeo Altini OSA, Bischof von Civita Castellana e Orte und Päpstlicher Sakristan. Am 8. Januar 1654 wurde Camillo Massimo Päpstlicher Thronassistent. Der Papst entsandte ihn am 16. Januar 1654 als Nuntius nach Spanien, wo er bis 1658 amtierte und Diego Velázquez kennenlernte, den er förderte. In dieser Zeit versuchte er, einen Friedensschluss zwischen Spanien und Frankreich zu vermitteln, jedoch ohne die Beteiligung des Botschafters der Republik Venedig. Dies führte zu einem Protest Venedigs beim Papst und Camillo Massimo wurde aus der Nuntiatur abberufen. Danach lebte er in Roccasecca so gut wie im Exil, bis das Pontifikat Clemens’ IX. mit dessen Tod 1669 endete. Das Kardinalskollegium ernannte ihn für das Konklave 1669–1670 zu dessen Gouverneur.