Episkopat 7 marca 1853 papież Pius IX mianował go biskupem Forli. 17 kwietnia 1853 w bazylice św. Pawła za Murami przyjął sakrę biskupią z rąk prefekta Świętej Kongregacja ds. Biskupów i Zakonników kard. Gabriela della Genga Sermattei. Współkonsekratorami byli arcybiskup in partibus infidelium Iconium Antonio Ligi-Bussi OFMConv oraz zakrystian papieski bp Giuseppe Maria Pietro Raffaele Castellani OESA. Nominacja biskupia i związana z nią konieczność opuszczenia życia zakonnego nie wzbudziły entuzjazmu o. Falcinelliego Antoniacciego.
14 grudnia 1857 ten sam papież wyznaczył go internuncjuszem apostolskim w Brazylii oraz 21 grudnia 1857 arcybiskupem in partibus infidelium ateńskim. W Brazylii skoncentrował się na odrodzeniu misji ludowych oraz z powodzeniem walczył z projektem ustawy o małżeństwach cywilnych.
14 sierpnia 1863 papież przeniósł go na urząd nuncjusza apostolskiego w Austro-Węgrzech. W Wiedniu z umiarkowanymi sukcesami zabiegał o przestrzeganie zapisów konkordatu. Nie udało mu się namówić cesarza Franciszka Józefa I do interwencji wojskowej w obronie Państwa Kościelnego, gdyż imperium Habsburgów nie było przygotowane do konfliktu ani militarnie, ani finansowo.