Va néixer el 25 de març de 1541 a la ciutat de Florència sent el segon fill, el primer mascle, del duc Cosme I de Mèdici i Elionor de Toledo. Ascens al poder
A la mort del seu pare, ocorreguda l'abril de 1574, fou nomenat Gran Duc de Toscana, si bé a diferència del seu pare, que sabé mantenir la independència del Gran Ducat, el seu govern estigué sopeditat a la voluntat imperial. De caràcter despòta, incrementà molt els impostos per poder fer front a les demandes provinents de l'Imperi.
Creà un centre manufacturer especialitzat en porcellana i gres, si bé aquests centres no prosperaren fins a després de la seva mort. Continuà amb la tradició de patricini de les arts, creant el Teatre Mèdici i fundant l'Accademia della Crusca. A l'igual que el seu pare fou un apassionat de l'alquímia.
Francesc I morí el 19 d'octubre de 1587, el mateix dia que Bianca Cappello, a la ciutat de Florència, sent enterrat a la Basílica de Sant Llorenç d'aquesta ciutat. La mort dels dos esposos el mateix dia feu pensar d'una mort per enverinament i no pas per malària, raons oficials de la mort. A la mort sense descendents masculins fou succeït pel seu germà Ferran I de Mèdici.
