В юности изучал право в Риме, где познакомился с известным деятелем католической реформы св. Филиппо Нери. Под его влиянием Бароний избрал церковную карьеру. В 1561 стал диаконом и получил диплом юриста. До 1581 был проповедником и преподавателем истории Церкви в созданной Нери конгрегации ораторианцев — объединении клириков, соблюдавших монашеские обеты. В 1593 Бароний стал ее настоятелем. С 1597 являлся главой Ватиканской библиотеки и вскоре стал значительной фигурой Римской курии: был духовником папы Климента VIII, в 1595 избран кардиналом, а его избранию папой в 1605 помешало лишь вето Испании, чья политика в Италии была предметом его резкой критики.
Барония по праву называют «отцом церковной истории». В 16 в. католическая церковь была подвернута уничтожающей критике в протестантской историографии («Магдебургские центурии»). По настоянию папы Сикста V Бароний начал работать над ответным трудом, и плодом его многолетних изысканий стали «Церковные анналы» (Annales Ecclesiastici, 1588-1617). В 12-томном сочинении освещается история Церкви до 1198. Оно принесло историку не только славу: бурная полемика с французскими и испанскими коллегами грозила закончиться судом инквизиции.
В «Церковных анналах» автор демонстрирует широкую эрудицию, строгое документальное обоснование, скрупулезный анализ источников.