Nascut amb 18 anys de diferència amb el seu germà Cosme III, de ben petit patí la separació dels seus pares després que la gran duquessa descobrís al seu marit mantenint relacions extramatrimonials.
L'any 1683 fou nomenat governador de Siena, càrrec que va ostentar fins a la mort, i el 1686 va ser nomenat cardenal pel papaInnocenci XI, exercint una gran influència en els conclaves de 1689 i 1700. No obstant això, la seva temptatives per a obtenir noves prebendes i honors provocà la seva caiguda en el si de la cúria romana. Francesc Maria no va viure a Roma sinó que s'establí a Villa di Lappeggi, prop de Florència, residència que va fer reestructurar i que es va convertir en la seu de la seva personalíssima cort.
Núpcies
El 1709 el cardenal, en pèssimes condicions físiques a causa dels seus excessos de tota classe als quals s'havia dedicat, va ser obligat contra la seva voluntat pel seu germà Cosme III de Mèdici a un tragicòmic matrimoni per a salvar la dinastia: obtinguda la dispensa papal de l'hàbit cardenalici el 19 de juny del mateix any, Francesc Maria es va casar el 14 de juliol de 1709 amb Elionor Lluïsa Gonzaga, filla de Vicenç Gonzaga de Guastalla. La temptativa va ser fallida tant per la inicial resistència de la princesa a consumar el matrimoni, com per les pèssimes condicions de salut del seu espòs, que posaven en dubte la seva capacitat de procrear.
