I 1480 ble han tilkalt til Roma av pave Sixtus IV for å male freskopaneler for veggene i det sixtinske kapell. De maleriene han utførte der var «Moses og Sippora» (ofte feilaktig tilskrevet Luca Signorelli), «Kristi dåp» og «Kristus overleverer himmelrikets nøkler til Peter». Pinturicchio fulgte ham til Roma og ble gjort til hans partner og mottok da en tredjedel av inntektene. Pinturicchio kan ha bidratt på en del av det førstnevnte bildet. Kommisjonen i det sixtinske kapell var den fremste oppdraget i høyrenessansen i Roma. Alterveggen ble også malt med «Jomfru Marias himmelfart», «Kristi fødsel» og «Moses i sivet». Disse senere verkene ble senere ødelagt for å gi plass for Michelangelos storstilte «Dommedag», ferdiggjort i tiden 1535–1541. I «Kristus overleverer himmelrikets nøkler til Peter», som fortsatt eksisterer, er karakteristisk for hans kunst: romfølelsen, det milde, varme lyset, de enkle bygningslinjene i samklang med figurenes stille alvor. Ved siden av apostlene i antikke klær har kunstneren innført noen figurer i samtidens italienske klær, og dessuten avbildet seg selv som nummer fem fra høyre.