Primogenito di Leopoldo II, granduca di Toscana, e di Maria Luisa, figlia del re Carlo III di Spagna, nacque a Firenze il 14 febbraio 1768. Francesco fu di natura conservatrice e poco incline alla politica riformatrice.
Nel 1788 sposò Elisabetta, figlia di Federico II di Württemberg; rimasto vedovo nel 1790, prese in moglie Maria Teresa di Borbone, figlia di Ferdinando IV re delle Due Sicilie, che gli diede dodici figli. Morta Maria Teresa nel 1807, l'anno seguente sposò la cugina Maria Ludovica, e nel 1816, rimasto vedovo nuovamente, prese in moglie la figlia di Massimiliano di Baviera, Carolina Augusta.
Imperatore del Sacro Romano Impero (1792-1806) e, come Francesco II, Imperatore d'Austria (1804-1835) partecipò alle guerre contro Napoleone.
Dopo la conquista francese della Germania occidentale e la riorganizzazione degli stati tedeschi operata da Napoleone nel 1803, egli rafforzò la sua autorità in Austria, Ungheria, Boemia e nell'Italia settentrionale, proclamandosi Imperatore d'Austria nel 1804. Due anni dopo sciolse ufficialmente il Sacro Romano Impero e dopo il 1809 assegnò a Klemens von Metternich l'amministrazione degli affari esteri, riservandosi la conduzione della politica interna.
Nel 1813 si unì alla coalizione che avrebbe portato alla caduta di Napoleone e, in seguito alle decisioni del congresso di Vienna (1815), riottenne buona parte del territorio austriaco conquistato da Bonaparte. Gli ultimi vent'anni del suo regno furono caratterizzati da una politica di repressione verso ogni forma di liberalismo.
Con Francesco II scompare anche il titolo di duca di Milano: le ultime monete su cui compare sono quelle battute durante la restaurazione austro-russa degli anni 1799-1800.
Morì a Vienna nel 1835.