Aristocrate vénitien, il participa très jeune (il n'avait pas vingt ans) au congrès de Münster qui devait liquider la guerre de Trente ans, grâce au fameux traité de Westphalie. Il y était en tant que secrétaire de l'ambassadeur de Venise. C’est là que le cardinal Chigi, le futur pape Alexandre VII, alors nonce apostolique à Münster, le remarqua. Le futur pape le suivit dans ses études et poussa le jeune Grégoire à quitter la carrière diplomatique pour être ordonné prêtre. Nommé pape, il appela le jeune abbé Barbarigo à Rome en1655. L'année d'après, alors que la peste bubonique sévissait à Rome, le pape nomma le jeune vénitien pour diriger les secours.
Nommé évêque de Bergame en 1657 puis cardinal l'année suivante, il devient ensuite évêque de Padoue en 1664. Il prit saint Charles Borromée pour modèle dans son diocèse et fut particulièrement attentif à l'application des Canons du récent Concile de Trente. Il mit spécialement l' accent sur l' instruction des fidèles et l' enseignement des clercs. Lorsqu'il fut nommé évêque de Padoue en 1664, il prit grand soin de la formation théologique des prêtres. il enrichit la bibliothèque de l'évêché et insista sur l'apprentissage des langues anciennes et modernes. C'était un évêque moderne, en phase avec le renouveau intellectuel de cette époque. On dit qu'il n'hésitait pas à enseigner lui-même le catéchisme aux enfants.
Sculpture de Giovanni Maria Morlaiter
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C'est à la suite de toutes ces actions, qu'il fut pressenti à deux reprises pour coiffer la tiare de Saint Pierre, mais il refusa avec obstination de devenir Pape. Il lui suffisait de vivre à Padoue, dans l' étude et la charité proclama-t-il aux cardinaux venus le solliciter.
Ses restes reposent au Duomo de Padoue.