Han besteg tronen i Österrike sedan hans farbror, Ferdinand I av Österrike, abdikerat till följd av oroligheterna 1848. Hans far hade avsagt sig rätten till tronen redan tidigare, efter påtryckningar från sin fru, Sofia, som ansåg att sonen var bättre lämpad.
Han besegrades i kriget mot Sardinien 1859 och mot Preussen 1866. Dessa båda förluster resulterade i 1867 års författningsreform (Ausgleich), vilket bland annat innebar att det ungerska kungadömet återupprättades, i union med Österrike. Med 68 år på tronen är Franz Joseph den tredje längst, som myndig, regerande monarken i världshistorien, efter Elizabeth II och Bhumibol Adulyadej.
Uppstigande på tronen
Frans Josef var son till Frans Karl av Österrike (1802–1878) och Sofia av Bayern (1805–1872). Frans Josefs uppfostran leddes i strängt katolsk och klerikal anda. Utvecklingen av de tilldragelser som följde på 1848 års revolutioner i Europa förde honom tidigt till tronen. Då efter undertryckandet av oktoberupproret i Wien (1848) de ledande personerna vid hovet förmått hans farbror, kejsar Ferdinand I, att abdikera, och då hans fader avsagt sig sina anspråk, tillträdde han 2 december 1848 regeringen.
Efter Schwarzenbergs död 1852 började Frans Josef personligen bli den bestämmande i styrelsen, och han valde i fortsättningen sina ledande ministrar och angav regeringens allmänna riktning, varvid experimenterats än med strängt absolutistisk och centralistisk styrelseform, än med liberal centralism, än med eftergifter åt de många sinsemellan stridande nationaliteterna samt nu till sist med allmän rösträtt och en åtminstone delvis från partikularistiskt nationella synpunkter frigjord regeringspolitik.
Reaktionspolitiken på 1850-talet leddes av minister Alexander von Bach. Dess kyrkopolitiskt betydelsefullaste tilldragelse, avslutandet av 1855 års konkordat med påven Pius IX, vilket utplånade många av Josef II:s reformer och lade stor makt i det katolska prästerskapets händer, torde väsentligen ha berott på den ultramontant sinnade kejsarens eget ingripande. Samtidigt isolerades Österrike utåt och ådrog sig särskilt under Krimkriget (1853–1856) Rysslands ovilja, utan att vinna västmakternas bevågenhet.
Den 18 februari 1853 utsattes Frans Josef för ett mordförsök av ungraren János Libényi, som sårade honom allvarligt med ett knivstick. Som tack för att kejsaren undkom med livet i behåll, beslöt hans bror, ärkehertig Maximilian av Österrike att uppföra Votivkyrkan inte långt från attentatsplatsen.
I Österrikes krig mot Sardinien och Frankrike 1859 deltog Frans Josef personligen och lär vid Solferino ha visat stort mod. Genom fördraget i Villafranca samma år måste han avträda Lombardiet. Sedan detta krig blottat rikets svaghet, fann kejsaren sig föranlåten att ändra system och införa representativa författningar såväl för de särskilda kronländerna som för monarkin i dess helhet. Med Ungern kunde ingen uppgörelse komma till stånd, så länge Frans Josef avböjde dess krav på en självständig ställning inom monarkin.
1864 deltog Österrike med Preussen i kriget mot Danmark, men tvisten om de i kriget erövrade landsdelarnas öde ledde i sin ordning till 1866 års krig mellan de tyska stormakterna, Österrikes utdrivande ur Tyskland och förlusten av Venedig till det nya kungariket Italien.
Dessa olyckor förmådde Frans Josef att försona sig med ungrarna. Deák kallades till Wien och fick för Frans Josef framlägga deras krav. Beust blev ledande österrikisk minister, och Frans Josef gav på hans råd 1867 efter för ungrarnas fordringar och lät (8 juni samma år) i Buda kröna sig till Ungerns kung.
Dubbelmonarkin
I det nya statsförbundet Österrike-Ungern blev tyskar/österrikare och ungrare de härskande folken, inom varsin rikshälft, medan slaverna hölls nere och greps av starkt missnöje. Ett kortvarigt federalistiskt experiment med ministären Hohenwart (februari–oktober 1871) misslyckades genom de icke-tjeckiska nationaliteternas motstånd. De följande ministärerna (Auersperg, Taaffe, Windisch-Grätz, Badeni med flera) sökte sitt stöd hos växlande partikombinationer, varunder tjecker och särskilt polacker vann större inflytande. Partistriderna förlamade periodvis fullständigt riksrådets arbetsförmåga, och det i skarpa nationalitetskonflikter söndrade riket sammanhölls väsentligen genom Frans Josefs stora personliga auktoritet, vilken med åren starkt tilltog.
Utrikesärendena leddes till 1871 av Beust och därpå 1871–1879 av ungraren Andrássy, som återknöt det goda förhållandet till Tyskland och genomförde ockupationen av Bosnien och Hercegovina. Såväl vid bildandet av trekejsarförbundet 1872 mellan Tyskland, Österrike och Ryssland som vid dess avlösande – sedan Ryssland, missnöjt över Berlinkongressens resultat 1878 dragit sig tillbaka – av trippelalliansen mellan Tyskland, Österrike och Italien 1882, spelade Frans Josef personligen en betydande roll i den europeiska, på den väpnade fredens upprätthållande inriktade jämviktspolitiken.
Frans Josef firade 1898 sitt 50-årsjubileum som regent, och i samband därmed restes statyer över honom i Mährisch Weißkirchen och Olmütz.
Österrike genomgick en stor materiell utveckling under hans regeringstid och Frans Josef tog konsekvenserna av sin nya ställning som konstitutionell monark. Han gav bland annat stöd åt den rösträttsreform som genomfördes 1907 av Max Wladimir von Beck, efter förberedelser av ministärerna Gautsch och Hohenlohe.
I Ungern mötte Frans Josefs av riks- och utrikespolitiska hänsyn betingade kompromisslösa fordringar på något så när enhetlig organisation av de båda rikshälfternas arméer häftigt motstånd från de starka nationalistiska och separatistiska partiriktningarna bland ungrarna.
Även ekonomiska frågor mellan de båda rikshalvorna framkallade farliga konflikter. Det krävde den gamle monarkens hela erfarenhet och auktoritet att gång efter annan för stunden utjämna, utan att han dock lyckades få till stånd någon varaktig uppgörelse.
År 1908 firades med stora högtidligheter Frans Josefs sextioårsjubileum som regent. Åt tronföljaren Frans Ferdinand överlät han från 1906 uppsikten över arméns och flottans utveckling.
Han stod dock aldrig i något intimare politiskt samarbete med denne och ogillade så djupt hans "ojämbördiga" äktenskap med grevinnan Sophie von Chotek, att han vid underrättelsen om mordet på tronföljarparet i Sarajevo (28 juni 1914) på allvar däri såg en Guds straffdom över det brott mot legitimitetsprincipen detta äktenskap inneburit.
Första världskriget och död
Under den kris, som nu följde och ledde till första världskrigets utbrott, önskade Frans Josef uppriktigt fredens bevarande. Han insåg inte räckvidden av det ultimatum till Serbien, som hans rådgivare formulerat. På grundval av oriktiga uppgifter om serbiskt överfall mot österrikisk-ungerska gränstrupper förmåddes Frans Josef att utfärda krigsförklaringen mot Serbien.
Om världskrigets utgång var Frans Josef från början djupt pessimistisk, och han hyste ingen större tilltro till generalstabschefen Conrads fältherreförmåga och helst skulle han personligen ha önskat tysk överledning över de båda förbundna makternas arméer. Ståndaktig var han i sin förbundstrohet mot Tyskland och sin motvilja mot att genom landavträdelser till Italien söka köpa dess neutralitet.
Först under sitt sista levnadsår började han av ålderdomssvaghet hindras att åt regeringsärendenas skötsel ägna den minutiösa, på detaljer inriktade uppmärksamhet, som kännetecknade hans plikttrogna natur. Dock sysslade han ännu den sista dagen av sin levnad med löpande regeringsärenden. Han avled 21 november 1916 på Schönbrunn. Han efterträddes av sin brors sonson Karl I.