Il soggiorno di Benozzo nella capitale della cristianità si svolse in tre differenti momenti.
Nel 1447 collaborò con il Beato Angelico alla decorazione della cappella Maggiore di San Pietro. Papa Eugenio IV, che durante il suo precedente soggiorno fiorentino aveva avuto modo di apprezzare le imprese dei due pittori, commissionò questo prestigioso ciclo di affreschi, del quale purtroppo non è rimasto nulla. Non è perciò possibile identificare quale sia stato il ruolo del giovane Benozzo.

Si sono, invece, conservati gli affreschi, eseguiti sempre in collaborazione con l’Angelico, commissionati nel 1448 dal neoeletto pontefice Niccolò V per la sua cappella in Palazzo Vaticano - detta ‘Niccolina’ - con le Storie dei santi diaconi protomartiri Stefano e Lorenzo. Data la già provata esperienza a fianco dell’Angelico e i consistenti pagamenti, dei quali ancora oggi si conservano i documenti, si può immaginare una ragguardevole partecipazione di Benozzo a questa decorazione.

Altre opere documentate dalle fonti ed eseguite durante questo soggiorno risultano perdute, tranne lo stendardo processionale con la Madonna col Bambino sotto un baldacchino realizzato per la basilica di Santa Maria sopra Minerva.

Rientrato a Roma nel 1453, eseguì l’anno successivo la decorazione di una fra le più importanti cappelle gentilizie in Santa Maria Aracoeli, quella della famiglia Albertoni. Di questi affreschi attualmente si conserva soltanto il Sant’Antonio da Padova e donatori raffigurato nella parete che ospita l’altare. Nel frattempo anche l’Angelico era rientrato a Roma, dove, prima di morire (1455), era riuscito a realizzare i suoi ultimi lavori. Benozzo, erede indiscusso del suo maestro-collaboratore, fu incaricato di eseguire la Pala della Sapienza Nuova dall’allora vescovo Benedetto Guidalotti di Perugia, per il quale l’Angelico aveva precedentemente dipinto un prezioso polittico destinato all’altare di famiglia. L’opera eseguita a Roma fu inviata dallo stesso Benozzo a Perugia; oggi è attualmente visibile alla Galleria Nazionale dell’Umbria assieme alla tavola realizzata per lo stesso committente dal Beato Angelico.

Un’ulteriore opera riferita a questo periodo è la preziosa tavoletta della collegiata di Sermoneta raffigurante la Madonna e gli angeli.