Sinh ra tại Florence, ông là con của Cosimo I de' Medici với Eleonora di Toledo, và nhận chức vụ quan nhiếp chính cho cha ông từ năm 1564.

Kết hôn với Joanna của Áo

Ngày 18 tháng 12, 1565, ông kết hôn với Joanna của Áo, con gái nhỏ nhất của Ferdinand I, Hoàng đế La Mã Thần thánh và Anna của Bohemia và Hungary, sau khi cân nhắc Công chúa Elizabeth của Thuỵ Điển. Theo tất cả tài liệu còn lưu lại, đây không phải là một cuộc hôn nhân hạnh phúc. Joanna luôn nhớ về quê nhà ở Áo, và Francesco cũng không quan tâm cũng như chung thuỷ với bà. Joanna mất ở tuổi 31 vào năm 1578.

Bianca Cappello

Ngay sau khi Nữ Đại Công tước Joanna qua đời, Francesco đi bước nữa để kết hôn với tình nhân người Venezia của ông, Bianca Cappello, sau khi khéo léo loại bỏ chồng của cô này, một công chức Firenze. Vì sự kiện tái hôn chóng vánh và các sự kiện tương tự xung quanh Medici (người em trai của Francesco là Pietro theo ghi chép là đã giết vợ của ông ta), những lời đồn đại lan truyền rằng Francesco và Bianca đã âm mưu đầu độc Johanna. Francesco theo ghi chép đã xây và trang hoàng biệt thự Villa Medicea di Pratolino cho Bianca. Về phía Bianca, bà này lại không thân thiện với người dân Firenze. Họ không có con cái, nhưng Francesco nhận nuôi con gái từ lần kết hôn trước của Biaca là Pellegrina (1564- ?) và con trai Antonio (29 tháng 8, 1576 - 2 tháng 5 năm 1621), người được nhận nuôi từ khi mới sinh bởi Bianca Cappello với dự định giới thiệu với Francesco như là con trai thay thế.

Giống như cha của ông, Francesco thường chuyên quyền, nhưng trong khi Cosimo biết cách duy trì nền độc lập của Firenze, Francesco lại hành động giống như một nước chư hầu của người cha vợ, sau là Hoàng đế La Mã Thần thánh. Theo đó, ông tiếp tục đánh thuế nặng nề khu vực cai trị của mình để cống nạp cho đế chế.

Ông có sở thích riêng về chế tạo và khoa học. Ông thành lập cơ sở sản xuất đồ gốm và đồ sứ, nhưng cơ sở này không phát triển thịnh vượng cho tới khi sau cái chết của ông. Ông kế thừa sự bảo trợ của cha ông đối với nghệ thuật, hỗ trợ các họa sĩ và giúp xây dựng Nhà hát Medici Theater cũng như thành lập Accademia della Crusca. Ông cũng đặc biệt say mê hoá học và giả kim thuật, và dành nhiều thời gian của mình trong phòng thí nghiệm cá nhân và bộ sưu tập curio, Studiolo ở Palazzo Vecchio, nơi lưu giữ bộ sưu tập các vật chất và đá tự nhiên của ông và cho phép ông tham gia vào hoá học nghiệp dư và giả kim thuật.

Francesco và Bianca mất vào cùng một ngày. Mặc dù các giấy chứng tử gốc đều đề cập đến nguyên nhân cái chết là do sốt rét, nhưng các ý kiện đồn đãi cho rằng họ bị đầu độc, có thể là do người em của Francesco là Ferdinando. Trong khi một số nghiên cứu pháp y đầu ủng hộ lý thuyết sau[1], chứng cứ pháp y từ một nghiên cứu năm 2010 tìm thấy ký sinh trùng Plasmodium falciparum, vốn là nguyên nhân gây ra bệnh sốt rét, nằm trong hài cốt còn lại của Francesco I [2], dã bác bỏ hoàn toàn lý thuyết đầu độc và xác nhận tính xác thực của các tài liệu chính thức.[3] (Trong khi hài cốt của Bianca vẫn không biết được nơi chôn cất do đó chưa được giám định nguyên nhân tử vong.)Francesco sau đó được kế vị bởi người em trai, Ferdinando II de' Medici.

Chân dung nổi tiếng của Francesco khi còn là một đứa trẻ được vẽ bởi Agnolo Bronzino và được trưng bày ở Phòng tranh Uffizi ở Firenze.

Việc kết hôn của Francesco với Bianca và cái chết của hai người được nhà viết kịch Thomas Middleton khai thác trong bi kịch Women Beware Women (xuất bản năm 1657).