Nonostante l'opposizione del padre, egli entrò nella Compagnia di Gesù il 21 giugno 1637. Il noviziato si svolse sotto la guida di Giampaolo Oliva (che diverrà Generale della Compagnia) e dopo soli sedici mesi (in luogo dei consueti due anni) ottenne la cattedra di filosofia al Collegio Romano.
Nel 1643, quando Juan de Lugo fu creato cardinale, Pallavicino gli successe nella cattedra di teologia, tenendola fino al 1651. Poco dopo fu nominato Prefetto generale agli studi del Collegio. Negli stessi anni fu spesso impiegato da Innocenzo X, in materie di grande importanza. In questo modo divenne membro della commissione di tredici teologi e sette cardinali, guidata dal cardinale Bernardino Spada, incaricata di esaminare gli scritti di Giansenio e in particolare il De Ecclesia Bicipiti, che sosteneva la perfetta parità degli apostoli Pietro e Paolo. Fu inoltre incaricato di esaminare gli scritti di Martin de Barcos, due dei quali furono da lui proposti per la condanna nel 1647.
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