Papst Leo XIII. erhob ihn am 19. September 1879 zur Kardinalswürde und ernannte ihn 1880 zum Kardinalpriester von Santa Balbina. Seit 22. September 1879 war er zudem Erzbischof von Ravenna. Kardinal Cattani kehrte erst im November 1879 nach Rom zurück, um vom Papst die Ernennungen persönlich entgegenzunehmen. 1881 und 1884 bereiste er zu pastoralen Zwecken seine Erzdiözese. 1887 starb er nach langer schwerer Krankheit und wurde auf dem Hauptfriedhof von Ravenna beigesetzt.