Nach langen Quellenstudien begann er die seines großen kirchengeschichtlichen Werks "Annales ecclesiastici a nato ad annum 1198" (Rom 1588-93 12 also die "Geschichte der Kirche von Christus zum Jahr 1198". Trotz zahlreicher Irrtümer ist Werk durch die Menge der mitgeteilten Urkunden immer eine Fundgrube kirchenhistorischen Wissens.
Der Oratorianer Odoricus Raynaldus schrieb eine Fortsetzung die 1565 reicht (1646-76 9 Bände); eine neue des Werks mit den Fortsetzungen von Raynaldus a. besorgte A. Theiner (Bar le Duc 37 Bände) welcher selbst eine Fortsetzung des für 1572-85 (Rom 1857 3 Bände) schrieb.
Der Ruhm dieser Leistung verschaffte Baronius Würden eines päpstlichen Beichtvaters apostolischen Protonotarius Kardinals (1596) und Bibliothekars der vatikanischen Bibliothek. der Papstwahl 1605 erreichte Baronius bereits die einfache Stimmenmehrheit sich jedoch mit dem Argument er sei hartnäckig so dass schließlich ein anderer Kardinal wurde.
Baronius starb am 30. Juni 1607 und wurde 1622 von Gregor XV. heiliggesprochen . Von den "Annalen" gibt es deutsche italienische polnische auch arabische Übersetzungen. Von Baronius Werken ist noch anzuführen die Ausgabe des romanum" (Rom 1586). Vgl. Sarra Vita del cardinale Ces. Baronio (Rom 1862).