Er war, als die Kirche durch die Französische Revolution in Bedrängnis geriet, gemeinsam mit Kardinal Francesco Maria Pignatelli als Legat in Italien unterwegs. Nach französischer Besatzung konnten beide Kardinäle 1796 zunächst die päpstliche Herrschaftsgewalt wiederherstellen, im Folgejahr musste er in päpstlichem Auftrag jedoch den Vertrag von Tolentino unterzeichnen, in dem die Kirche zu erheblichen Zugeständnissen verpflichtet wurde. Im Juni 1809 musste er Rom verlassen und ging zunächst ins Exil nach Bologna, später nach Paris. Da er 1810 Napoleons Hochzeit mit ErzherzoginMarie-Louise von Österreich die Anerkennung verweigerte, verbot ihm der Kaiser das Tragen seiner roten Amtsrobe und Mattei wurde ein sogenannter Schwarzer Kardinal. Im September 1814 wurde er zum Kardinaldekan gewählt und Pius VII. übertrug ihm das suburbikarischeBistum Ostia; vier Monate zuvor war er gemeinsam mit dem Papst nach Rom zurückgekehrt. 1817 wurde Kardinal Mattei zudem Erzpriester der Vatikanbasilika.
Im April 1820 starb er nach kurzer Krankheit. Er wurde in der Kirche Santa Maria in Aracoeli beigesetzt.