Р.И. Воронцов. Художник Г. Сердюков. 1770-е гг.
В 1760 году Роман Илларионович был назначен сенатором и председателем Комиссии по составлению нового «Уложения».
С приходом к власти Петра III его положение при дворе укрепилось, поскольку его дочь Елизавета Романовна стала фавориткой нового императора. В царствование Петра III Р.И. Воронцов был произведен в генерал-аншефы.
При воцарении в результате очередного переворота Екатерины II положение Воронцова в целом сохранилось, так как другая его дочь, Екатерина Романовна Воронцова-Дашкова, играла в перевороте самую активную роль. Воронцов стал одним из учредителей Вольного экономического общества, основанного в России в 1765 году. В «Трудах Вольного экономического общества» он публиковал статьи, в которых предлагал держать в сёлах специальные запасы хлеба во избежание голода в неурожайные годы, создать крестьянский суд «из лучших людей», а господ призывал «обходиться с ласкою» с крестьянами.
Манифест о созыве новых депутатов, представляющих все сословия, кроме крепостных крестьян и духовенства, был издан в декабре 1766 года. Выборы проходили по всей России в течение первого полугодия 1767 года. Было избрано 572 депутата: от дворян – 165, от городов – 208, от правительственных учреждений – 28, 42 – от однодворцев, 45 – от казаков, 29 – от государственных крестьян, 54 – от нерусских народов Сибири, Севера и Поволжья. При выборах депутаты снабжались письменными наказами своих избирателей. Роман Илларионович был представителем шлиссельбургского дворянства, а также поверенным для выбора головы и депутата г. Москвы. Его подпись стоит в числе первых под текстом наказа московского дворянства своему депутату П.И. Панину. В нем говорится о пользе «совершенного согласования мудрости, естественной справедливости и глубокого познания моральных и физических свойств жителей земли». Московское дворянство просило разрешить свободу циркуляции дворянских имений, «чтобы дворянству позволено было продавать продукты, заводить и содержать фабрики и мануфактуры, предпринимать всякие промыслы…».
Но уже в 1778 году Воронцов был назначен владимирским, пензенским и тамбовским генерал-губернатором. Своими поборами и лихоимством он довел вверенные ему губернии до крайнего разорения, за что получил прозвище Роман Большой Карман. Однако проведенное через три года после его смерти расследование никаких злоупотреблений со стороны Романа Ивановича не выявило, так что слухи о его мздоимстве и лихоимстве могли распускаться его недругами.
Роман Илларионович Воронцов умер 11 декабря 1783 года и по завещанию был погребён в Дмитриевском соборе Владимира. Он был кавалером орденов Святого апостола Андрея, Александра Невского, Святого Владимира, польского Белого орла и Святой Анны.