Logo após a morte da Grã-Duquesa Joana, em 1578, Francisco casou-se com sua amante, Bianca Cappello, viúva, cujo marido havia sido assassinado, dizem que a mando de Francisco I. Por causa da rapidez do casamento, surgiram boatos de que Francisco I e Bianca Capello, teriam provocado a morte da Grã-Duquesa.
Francisco construiu e decorou a Villa Medicea di Pratolino para Bianca. Ela, porém, não era popular entre os florentinos. Eles não tinham filhos, mas Francisco adotou a filha de Bianca, fruto do primeiro casamento desta. Bianca Cappello adotou um recém-nascido, Antonio (29 de agosto de 1576 - 2 de maio de 1621), com a intenção de apresenta-lo a Francisco como seu filho de sangue, pórem o plano não deu certo.
Pouco interesado na política, Francisco se dediccou mais às Ciências, a Alquimia, a Arquitetura e a decoração. Ele fundou a fabricação de porcelana e faiança, mas estes não prosperam até depois de sua morte. Ele continuou o patrocínio do pai aos artistas, construiu o Teatro Medici, bem como fundou a Accademia della Crusca. Iniciou a construção de uma galeria de pinturas e artesanato, a que chamou de "studiolo, e ampliou e embelezou a Villa Medici.
Como seu pai, Francisco era muitas vezes um despota. Mas, enquanto Cosme, tinha conseguido manter a independência de Florença, Francisco agiu mais como um vassalo de seu sogro, o imperador do Sacro-Império, Fernando I de Habsburgo. Francisco cobrava pesados impostos de seus súditos, a fim de pagar grandes somas ao império.
Francisco I morreu em 19 de outubro de 1587, no mesmo dia que Bianca Cappello, o que reforça a teoria de que ambos foram envenenados. Por não posuir descendência masculina legítima, ao morrer foi sucedido por seu irmão mais novo, Fernando I de Médici.
Casamentos e descendência
De seu primeiro casamento, com Joana da Áustria, nasceram oito filhos:
De Bianca Cappello, com quem veio a casar em 10 de junho de 1579, teve um filho considerado ilegítimo uma vez que nasceu antes do casamento de seus pais:
.svg)
