Il 21 febbraio aveva però ricevuto l'incarico di maggiore rilievo, quello di Sovrintendente generale dello Stato ecclesiastico, che gli conferiva pieni poteri nel governo temporale della città di Roma e dello Stato e ruolo determinante nella diplomazia pontificia, poiché comportava di firmare tutte le lettere del papa a principi, ambasciatori, nunzi e legati.
Eletto arcivescovo di Bologna il 29 marzo 1621, venne consacrato il 2 maggio successivo, di domenica, nella cappella privata del suo principale consacratore, Galeazzo Sanvitale, presso la basilica vaticana. Sanvitale venne assistito nella consacrazione da Cosimo de Torres, arcivescovo titolare di Adrianopolis, e da Ottavio Ridolfi, vescovo di Ariano. Pur rimanendo a Roma, gli venne garantita la facoltà di esercitare i propri incarichi di curia per substitutum dal 14 aprile 1621. Prefetto della Segnatura dei Brevi Apostolici dal 16 marzo 1622. Prefetto della Sacra Congregazione de Propaganda Fide dal 12 novembre 1622, mantenendo l'incarico sino alla morte. Vice-cancelliere di Santa Romana Chiesa e sommista delle lettere apostoliche dal 7 giugno 1623, optò per il titolo cardinalizio di San Lorenzo in Damaso da quella stessa data. Abate commendatario di San Silvestro di Nonantola, San Lorenzo in Campo di Urbino e Saint-Martin des Champs in Francia, partecipò al conclave del 1623 che elesse a pontefice Urbano VIII. Il 2 ottobre 1623 diede le proprie dimissioni da legato ad Avignone e venne nominato protettore d'Irlanda. Nel 1628 fondò il Pontificio Collegio Irlandese in Roma.
Il coinvolgimento nella protesta del cardinale Gaspare Borgia contro il papa, determinò l'ordine di questi a Ludovisi di osservare la residenza nella sede episcopale. Così partì da Roma per Bologna il 27 marzo 1632, già ammalato, morendovi il 18 novembre 1632. Venne sepolto provvisoriamente nella cattedrale metropolitana di Bologna per poi essere trasferito, secondo le sue ultime volontà, nella Chiesa di Sant'Ignazio di Loyola in Campo Marzio a Roma.
Paolo Broggio - Sabina Brevaglieri, LUDOVISI, Ludovico, in Dizionario biografico degli italiani, vol. 66, Roma, Istituto dell'Enciclopedia Italiana, 2006. URL consultato il 16 maggio 2017.