In 1823, ging hij in het gevolg van monsignore Musi naar Chili, in Zuid-Amerika, en keerde eerst na verloop van twee jaren naar Europa terug. De toenmalige paus Leo XII, vatte toegenegenheid voor Mastaï op, verhief hem achtereenvolgens tot de waardigheden van prelaat, president van het hospitaal St. Michaël, en eindelijk tot aarts. bisschop van Spoleto. De opvolger van Leo, Gregorius XVI, droeg het aartsbisdom Imola aan zijne zorgen op; negen jaren later werd hij tot kardinaal benoemd.
Paus Gregorius overleed in het begin van Junij 1846. Den 14den van die zelfde maand vergaderde het conclave, om tot de keus van een nieuwen paus over te gaan, hetgeen door schriftelijke stemming, scrutinium genaamd, geschiedt. Zes en dertig kardinalen waren aanwezig, en Mastaï moest de stemmen opnemen. Het eerste briefje, dat hij losmaakte, droeg zijn naam; het tweede insgelijks; met het derde was het even zoo. Nadat zich dit twintig maal herhaald had, begaf hem zijne zelfbeheersching. Door aandoening overmeesterd, verzocht hij aan de vergadering zich te mogen verwijderen, en een anderen kardinaal zijne taak te laten volbrengen; - doch de wetten der Roomsch-Katholieke kerk zijn bij zulke gelegenheden zoo gestreng, dat de toestemming van zijn verzoek, de verkiezing onwettig gemaakt zoude hebben, en al het gebeurde van nul en geener waarde zou geweest zijn; het conclave raadde hem daarom te gaan zitten, ten einde zich te herstellen.
Bleek, zonder een woord te uiten en zonder eenige beweging, zonk Mastaï op een stoel neder, en dronk een glas water, dat één der kardinalen hem gegeven had. Eerst na verloop van een geruimen tijd had hij de kracht herkregen, om de nog overige stembriefjes te kunnen ligten.
Hij was met éénparige stemmen tot paus verkozen. Alle kardinalen stonden te gelijkertijd op, en het gewelf der kapel weergalmde van de luide gelukwenschen, waarmede zij den nieuw verkozene begroetten. Na de vervulling der gewone formaliteiten, naderde een lid van het heilige collegie, Mastaï, en vroeg hem, of hij besloten was, de driedubbele kroon aan te nemen; waarop deze antwoordde, dat hij zich aan Gods wil onderwierp. Nog dien zelfden avond (16 Junij) betrok hij het Vaticaan, onder den titel van: paus Pius IX.