5 października 1650 został wybrany biskupem Reggio Emilia, drugiego co do znaczenia miasta w księstwie Modeny. 19 listopada 1651 przyjął sakrę biskupią z rąk Roberto Fontany, biskupa Modeny. Z wielkim oddaniem pełnił swe obowiązki diecezjalne. Kiedy w 1655 musiał znowu tymczasowo zastąpić brata w zarządzaniu księstwem, uczynił do niechętnie z uwagi na konieczność opuszczenia diecezji. Ostatecznie jednak zrezygnował z biskupstwa 23 kwietnia 1660 z uwagi na obowiązki w Kurii Rzymskiej.
Od 1645 aż do śmierci pełnił w Kurii funkcję kardynała-protektora Królestwa Francji. Z tego tytułu przysługiwało mu prawo do wielu bogatych beneficjów na terenie Francji, np. w 1661 został opatem komendatoryjnym Cluny. W 1652 król Ludwik XIV wysunął jego kandydaturę do objęcia diecezji Montpellier, jednak papież Innocenty X nie zgodził się, z uwagi na normy kanoniczne zabraniające łączenia dwóch lub więcej diecezji w rękach jednego biskupa (d’Este był wówczas biskupem Reggio). Był nadto komendatariuszem wielu opactw i beneficjów we Francji i we Włoszech.