Antonelli palautti paavin auktoriteetin Kirkkovaltiossa kovilla poliisitoimilla. Hän päätti ehkäistä vastaisuudessa uudet yritykset luoda Kirkkovaltioon perustuslaillinen hallinto, sillä hänen mielestään paavia ei voinut asettaa maallikoista muodostuvan parlamentin alaiseksi eikä paavin maallista ja uskonnollista valtaa voinut erottaa toisistaan. Antonellin diplomatia tähtäsi siihen, että Ranskan keisari Napoleon III säilyisi paavin liittolaisena, sillä se näytti olevan ainoa keino säilyttää paavin maallinen valta Keski-Italiassa Italian yhdistymisprosessin keskellä. Hän pyrki välttämään kaikkia erimielisyyksiä Ranskan kanssa ja vastusti jopa paavin oman armeijan perustamista vuonna 1860, koska se olisi ärsyttänyt ranskalaisia. Paavin armeija hajotettiin vuonna 1870, jolloin Italian joukot miehittivät Rooman Vatikaania lukuun ottamatta. Kuollessaan Antonelli jätti jälkeensä suuren henkilökohtaisen omaisuuden ja 45 miljoonan liiran valtionvelan Vatikaanille. Hänen epäsovinnaisesta yksityiselämästään liikkui tuolloin huhuja, ja vuonna 1877 hänen tyttärenään esiintynyt kreivitär Lambertini aiheutti skandaalin yrittäessään vaatia oikeusteitse itselleen osuutta hänen perinnöstään.