Fills d'Olímpia i Manuel Marto, família humil de pastors, ell era un nen tranquil a qui agradava la música, tal com recordava la seva cosina a les seves memòries. El 13 de maig de 1917, mentre pasturaven les ovelles a Cova da Iria (prop de Fàtima, Ourém) amb la seva cosina Lúcia de Jesus dos Santos, se'ls aparegué la Mare de Déu i els revelà tres secrets, coneguts com a Misteris de Fàtima. L'aparició es repetí els dies 13 de cada mes durant juny, juliol i setembre, i el 19 d'agost; el dia 13 d'octubre hi tingué lloc el Miracle del Sol, presenciat per 70.000 persones.
En el transcurs de les aparicions, el comportament de Francisco canvià, i es lliurà a la pregària, que preferia fer en solitud, "per consolar Jesús pels pecats del món". A més, com la seva germana, va començar a fer penitències i dejunis d'amagat, la qual cosa podria haver afeblit la seva salut. Les revelacions marianes deien que Francisco i Jacinta moririen aviat, mentre que Lucia romandria viva com a testimoni durant molt de temps: efectivament, els germans moriren poc després a conseqüència d'una epidèmia de grip, i Lucia morí en 2005, als 97 anys. Francisco emmalaltí el desembre de 1918 i morí el 4 d'abril següent a casa seva.
El 13 de maig de 2017, en la commemoració del primer centenari de la primera aparició de la Mare de Déu, foren canonitzats a Fàtima pel Papa Francesc.[5]