L'11 di gennaio del 1621 fu creato cardinale con il titolo di cardinale presbitero di San Giovanni a Porta Latina da papa Gregorio XV.
Posto a capo supremo dell’Inquisizione, nel 1641 fu nominato cardinale vescovo di Palestrina.
Nel 1644, alla morte di Urbano VIII sperò di essergli eletto successore, ma fu eletto il cardinal Giovanni Battista Pamphilj, con il nome di Innocenzo X.
Bentivoglio morì a Roma il 7 settembre di quello stesso anno, e fu sepolto nella Chiesa di San Silvestro al Quirinale.