Po śmierci papieża, Medici odegrał ważną rolę na Konklawe 1549–1550, przyczyniając się do wybrania Juliusza III (1550-1555), który mianował go legatem przy armii walczącej o Parmę, gubernatorem Kampanii (1552) oraz biskupem Cassano al Ionio (1553–1559).
Za pontyfikatu Pawła IV (1555-1559) początkowo został mianowany prefektem Trybunału Apostolskiej Sygnatury Łaski (30 maja 1555) oraz biskupem Foligno (1556–1557), jednak w 1558 popadł w niełaskę i wycofał się z prac w Kurii Rzymskiej. 20 lipca 1558 został mianowany arcybiskupem Mediolanu.
Od września 1556 był członkiem trybunału Rzymskiej Inkwizycji.
Pontyfikat Kiedy Paweł zmarł, po 4-miesięcznym konklawe 1559, Medici został papieżem i przyjął imię Piusa IV. Został koronowany w święto Trzech Króli, 6 stycznia 1560. Zaraz po wyborze odciął się od działań swojego poprzednika, zapowiadając reformy w Kościele. Ograniczył działania Inkwizycji. Postanowił maksymalnie ograniczyć wpływy rodziny Carafów, krewnych Pawła IV, którzy mogliby przeszkodzić jego reformatorskim planom (oskarżył i skazał na śmierć dwóch nepotów Pawła IV). Swoim głównym doradcą uczynił swego siostrzeńca Karola Boromeusza, którego wyniósł do godności kardynalskiej.