I 1904 fullførte Roncalli sin teologiske doktorgrad og ble diakonviet 18. juni 1904, og presteviet 10. august samme år i Santa Maria di Montesanto i Roma. Han leste sin første messe i Peterskirken, men sin første messe hjemme i Sotto il Monte leste han 15. august. Han ble det følgende året sekretær for biskop Giacomo Radini-Tedeschi i Bergamo. Da biskopen døde i 1914, virket Roncalli som lærer på presteseminaret og hadde prestetjeneste på en rekke andre områder.