Si trasferì a Roma nel 1608 dopo la morte del padre, e venne inviato a Bologna come vice del legato cardinale Maffeo Barberini, il futuro papa Urbano VIII, con cui peraltro si imparentò: un fratello di Maffeo Barberini sposò infatti una sorella di Lorenzo Magalotti. In seguito Lorenzo Magalotti fu nominato da papa Paolo V governatore di Ascoli Piceno e vicelegato di Viterbo. Nel 1621, sotto papa Gregorio XV (nipote di Gregorio XV) fu nominato commissario generale di tutto lo stato pontificio, e l'anno successivo segretario della Sacra Consulta.
Nel 1628 fu nominato vescovo di Ferrara, città dove si recò subito per prestare aiuto a causa della peste e della carestia (il 1628 è l'anno dell'epidemia di peste descritta nei Promessi Sposi). Non ritornò più a Roma: a Ferrara, dove convocò un importante sinodo, fu molto assiduo nel visitare frequentemente la diocesi.
