С этого времени Болонья пыталась освободиться от папской опеки, из изгнания возвратился Антонио Бентивольо, однако его правление было коротким, он был казнён прибывшим легатом нового папы Мартина V кардиналом Габриеле Кондульмером (будущий папа Евгений IV, 1431–1447 гг.). В 1419 г. болонцы изгнали из города епископа Николая Альбергати, которого за два года перед тем единодушно избрали. Причиной изгнания стало его назначение кардиналом в Болонью. Мартин V наложил на город интердикт, который длился до 1429 г., пока Николай Альбергати не вернул себе кафедру. В 1445 г. Евгений IV назначил в Болонью легатом в сане кардинала Томмазо Парентучелли (будущий папа Николай V, 1447–1455 гг.), который, став папой, провёл реформу городского управления. Впрочем, вскоре Висконти восстановили здесь власть рода Бентивольо, представителем которого был Джованни II Бентивольо, правивший в Болонье в течение 45 лет, ставший известным как покровитель литературы и искусств. В 1503 г. епископ Джулиано делла Ровере стал папой под именем Юлия II, в 1506 г. он установил непосредственную папскую власть над Болоньёй. Однако в 1511 г. болонцы вызвали Аннибале II Бентивольо и вручили ему синьорию, но вскоре он был убит. Это убийство послужило началом войны между Болоньёй и Юлием II; в противовес папе болонцы избирают в том же году своим епископом представителя рода Бентивольо – Галеаццо. Однако Юлию II удалось восстановить свою власть в городе, который с этого времени на несколько столетий вошёл в состав Папского государства. В XIV в. в Болонье появляются первые картузианский (1334 г.) и цистерцианский монастыри, а в XV в. монастырь кларисс. В XVI в. Болонья стала местом ряда значительных политических и церковных событий: в 1515 г. папа Лев X заключил Болонский конкордат с французским королём Франциском I, а Карл V был торжественно коронован в церкви св. Петрония как император Священной Римской империи (24 февраля 1530 г.). При папе Павле III в Болонье заседали две сессии Тридентского собора. Впоследствии епископ Габриеле Палеотти провёл в Болонье церковную реформу в соответствии с постановлениями Собора. Он также обнаружил гробницы первых епископов святых Замы и Фаустиниана. Папа Григорий XIII, происходивший из болонской семьи Буонкомпаньи, возвёл в 1582 г. кафедру Болоньи в ранг архиепископской, подчинив ей епископства Имола, Червия, Парма, Реджо-нель-Эмилия, Модена, Пьяченца и Кремона. Архиепископы Болоньи в XVII–XVIII вв. были, главным образом, выходцами из знатных болонских семейств Лудовизи, Буонкомпаньи, Ламбертини и пр. Архиепископ Алессандро Лудовизи стал папой Римским под именем Григория XV (1621–1623 гг.), а Просперо Ламбертини – под именем Бенедикта XIV (1740–1758 гг.). Последний, даже став папой, до 1754 г. сохранял за собой сан архиепископа Болоньи. В 1796 г. Болонья была захвачена французскими войсками Наполеона Бонапарта, который провозгласил город не зависимым от власти папы и учредил здесь самостоятельную Болонскую республику, вошедшую в состав Циспаданской республики (1796–1797 гг.) и в 1804 г. в состав Итальянского королевства. Республиканское правительство провело секуляризацию церковной собственности и упразднение многих монастырей, некоторые из них, впрочем, были восстановлены после провозглашения Наполеона королём Италии (1805 г.).