W 1443 zmarł arcybiskup Albergati i w następnym roku Parentucelli został mianowany na jego miejsce. Ze względu na rosnące niepokoje społeczne w Bolonii papież Eugeniusz IV powołał Parentucelliego na jednego ze swoich przedstawicieli na negocjacje pomiędzy Watykanem i Świętym Cesarstwem Rzymskim Narodu Niemieckiego w Bazylei. W uznaniu zasług został mianowany w grudniu 1446 kardynałem Santa Susannae. Kilka miesięcy później, 6 marca 1447 wybrano go na następcę zmarłego Eugeniusza IV; przybrał imię Mikołaj V, aby uczcić swojego mecenasa Nicholasa Albergati. Wybór Mikołaja był kompromisem, gdyż faworyt konklawe, kardynał Prospero Colonna, przegrał z powodu zawiści rodowych.
Pontyfikat Mikołaj V wyróżniał się cierpliwością i zdolnością do kompromisu. Na początku pontyfikatu, przywrócił w Rzymie porządek, usuwając najemników, zbuntowanej Bolonii, przyznał niezależność i nie angażował się w spór w Mediolanie, powstały po śmierci księcia Viscontiego. W 1448 roku doszło do podpisania konkordatu wiedeńskiego, pomiędzy Stolicą Apostolską a Cesarstwem Rzymskim Narodu Niemieckiego. Dzięki mediacji francuskiego króla, Karola VII, udało mu się doprowadzić do zakończenia schizmy bazylejskiej i ustąpienia antypapieża Feliksa V. Wszelkie ekskomuniki i potępienie zostały anulowane, a sobór z Bazylei oficjalnie rozwiązał się 25 kwietnia 1449.