Kardynał (1657/58–1668) 9 kwietnia 1657 Aleksander VII mianował go kardynałem in pectore, ale ogłosił tę nominację dopiero rok później, 29 kwietnia 1658, a 6 maja 1658 nadał mu tytuł prezbitera S. Agnese fuori le mura i mianował legatem apostolskim (namiestnikiem) w Bolonii. Tę ostatnią funkcję Farnese sprawował okrągłe cztery lata, rozbudowując lub upiększając szereg budowli oraz podejmując szereg inicjatyw służących rozwojowi miasta. Powrócił do Rzymu w maju 1662. W tym samym roku, po bezpotomnej śmierci brata Pietro Farnese, kardynał Girolamo został księciem Latery.
Girolamo Farnese, jako kardynał, był członkiem kilku kongregacji kurialnych: Kongregacji Świętego Oficjum Inkwizycji Kongregacji ds. Biskupów i Zakonników Kongregacji ds. Soboru Trydenckiego Kongregacji ds. Wód Kongregacji ds. Dobrobytu (tzw. Annonae).
Podczas misji kardynała Flavio Chigiego we Francji w 1664 Girolamo Farnese tymczasowo zastępował go w kierowaniu Trybunałem Apostolskiej Sygnatury Sprawiedliwości.
Na konklawe 1667 Girolamo Farnese był poważnym kandydatem na papieża, ale ostatecznie wybrano kardynała Giulio Rospigliosiego, który przybrał imię Klemens IX.