Sempre a seguito dell'Angelico lo ritroviamo a Roma dal 1447, una presenza accertata anche dalle fonti documentarie. Papa Eugenio IV, nell'Epifania del 1443, aveva personalmente consacrato la chiesa di San Marco a Firenze e durante questo soggiorno nella città toscana aveva avuto modo di conoscere e apprezzare le opere dei due pittori. Per questo li chiamò a realizzare il lavoro più importante e prestigioso che a quel tempo potesse essere commissionato ad un artista: la cappella maggiore di San Pietro. Di questi affreschi purtroppo non è rimasto nulla e non possiamo quindi conoscere quale sia stato l'impegno del giovane Benozzo.

Da Roma, insieme all'Angelico, il pittore si trasferì a Orvieto per lavorare ad un ciclo di affreschi nel Duomo della città. Fu portata a compimento la decorazione di due vele della volta della cappella di S. Brizio: quella con il Coro dei Profeti e quella con il Cristo Giudice attorniato da Angeli. Questo incarico è ancora una volta testimoniato dai documenti dove Benozzo è indicato come "collaboratore" di Beato Angelico, ma con un compenso notevolmente superiore rispetto a quello degli altri aiutanti: è verosimile che la sua reputazione artistica fosse già notevolmente accresciuta in questo periodo. Le altre due vele rimasero incompiute, e nonostante in seguito Benozzo si fosse proposto autonomamente per terminarle, la trattativa non giunse a buon fine, forse per le vicende politiche che proprio in quegli anni colpirono la città e di conseguenza l'economia locale. I lavori furono completati una cinquantina d'anni dopo da Luca Signorelli (1499-1502).

Dopo questa breve sosta ad Orvieto i due pittori fecero nuovamente ritorno a Roma per dipingere la cosiddetta cappella Niccolina in Vaticano dedicata ai santi diaconi protomartiri Stefano e Lorenzo. Data la già provata esperienza a fianco dell'Angelico e i consistenti pagamenti attestati dai documenti, si può supporre una significativa partecipazione di Benozzo a questo cantiere. Il soggiorno nella capitale (intervallato con l'esperienza di Orvieto) fu per Gozzoli un'opportunità di crescita professionale e culturale che lo introdusse in un ambiente fortemente stimolante e affascinante quale era Roma in quel periodo: una città in cui convivevano da una parte i suggestivi modelli tardo-antichi e dall'altra le nuove opere d'arte 'moderna'. Infatti grazie agli impulsi di papa Niccolò V, fervente sostenitore del nuovo spirito rinascimentale e degli studi umanistici, in città erano giunti pittori e architetti per progettare nuovi monumenti degni della capitale del mondo cristiano. Molte delle imprese realizzate da Benozzo per la città eterna, citate anche dal Vasari nel celebre libro dedicato alle biografie di artisti, sono andate perdute; oggi si conserva un dipinto su seta (chiaramente parte di uno stendardo processionale) realizzato per la basilica di Santa Maria sopra Minerva, raffigurante la Madonna col Bambino sotto un baldacchino, secondo un'iconografia di tradizione medievale. Una serie di accorgimenti - quali il manto della Vergine che fuoriesce dal parapetto - rendono, tuttavia, l'opera di assoluta modernità.

Gli studiosi riconoscono una partecipazione di Benozzo nella realizzazione delle formelle che decorano l'Armadio degli argenti dipinto dal Beato Angelico per il piccolo oratorio annesso alla Cappella della Santissima Annunziata a Firenze e commissionato da Piero de' Medici.
E' ormai assodato che i pannelli furono eseguiti prima del 1453, quando l'Angelico fu nuovamente chiamato a Roma; è quindi probabile che Benozzo vi abbia collaborato durante un suo breve rientro a Firenze prima della partenza per Montefalco, città dove soggiornò tra il 1450 e il 1452. Come ha notato Anna Padoa Rizzo, un'autorevole studiosa del pittore, in alcune opere realizzate in quel periodo Benozzo ripropone alcuni motivi stilistici sperimentati in occasione del lavoro all'Armadio degli argenti e questo farebbe presupporre la sua presenza a Firenze prima del 1450.

Sempre di questo periodo sono alcuni affreschi realizzati per i domenicani di Foligno e di Narni, incarichi che forse il pittore si trovò a dover accettare come conseguenza delle delusioni occorse ad Orvieto dove, a seguito delle vicende politiche che in quegli anni interessarono la città, non poté terminare la decorazione del Duomo. Del primo lavoro si conserva qualche frammento a Palazzo Trinci, mentre la tavola firmata raffigurante un' Annunciazione si conserva oggi nel Palazzo Comunale di Narni.