Francis a été éduqué dans les familles de ses grands-parents maternels à Maer et Eyton Hall, Staffordshire. En 1865, il entra au Christ's College à Cambridge pour suivre des études en lettres, mais il ne se classa pas parmi les meilleurs élèves. Il renonça à ses études universitaires et dédia sa vie à la gestion de la propriété familiale et à l'édition de l'œuvre de son père.
En 1872, Francis publia une édition annotée des lettres de son père, sous le titre *More Letters of Charles Darwin, with Some Biographical Sketches*. La même année, il épousa Catherine Mavor, la fille du géologue Roderick Murchison. Le couple eut sept enfants ensemble.
En 1876, Francis publia sa première importante étude scientifique, *The Movement of Glaciers*, qui contribuait à la compréhension de la glaciologie. Plus tard, en 1881, il publia *Life and Letters of Charles Darwin* qui fut bien accueilli par les critiques et contribua à la reconnaissance posthume de l'œuvre de son père.
En 1902, Francis publia une édition critique des principales théories de son père, intitulée *The Life and Work of Charles Darwin, compiled from his original manuscripts, edited with an Introduction and Additional Material by F. Darwin*. Cette publication contient notamment la théorie de l'évolution par sélection naturelle qu'avait développée Charles Darwin et qui a revolutionné la biologie au XIXe siècle.
Francis Darwin est décédé le 7 avril 1925 à Down House, Kent, à l'âge de 76 ans. Il repose au côté de sa famille dans la crypte du cimetière de Westminster Abbey. Sa vie et son travail ont joué un rôle important dans la diffusion des idées de son père Charles Darwin.