Som påven Sixtus V:s arkitekt, 1585–90, genomförde han dennes betydande stadsomvandling i Rom med bl.a. de från Santa Maria Maggiore utstrålande gatorna Via Felice (Via Sistina), Via Merulana och Via Panisperna. Fontanas tvärställda huskropp för Vatikanbiblioteket destruerade fatalt Bramantes storslagna Belvedereanläggning.