En 1971, François Bayrou obtient son diplôme d'études supérieures de droit et d'économie à l'Université Paris II Panthéon-Assas et commence sa carrière dans le secteur bancaire avant de rejoindre la fonction publique. Il entre au Conseil général des Pyrénées-Atlantiques en 1976 puis est élu maire de Sauveterre-de-Béarn en 1983, poste qu'il occupera jusqu'en 2014.
En mars 1986, François Bayrou est élu député des Pyrénées-Atlantiques et devient secrétaire d'État à l'Agriculture dans le gouvernement Rocard de 1988 à 1991. Il occupe divers postes ministériels dans les gouvernements qui suivent jusqu'en 1993, date à laquelle il devient président du groupe UDF à l'Assemblée nationale et porte-parole du gouvernement Cresson.
En mai 2002, François Bayrou crée le Mouvement démocrate (MoDem) en réaction à la nomination de Jean-Pierre Raffarin comme Premier ministre. Lors des élections législatives de juin 2007, il arrive deuxième au premier tour dans le département des Pyrénées-Atlantiques mais remporte l'élection au second tour. Cette victoire est considérée comme un succès pour son parti à une époque où le Mouvement démocrate n'a jamais eu d'élu à la tête d'un département.
En 2008, François Bayrou annonce sa candidature à l'élection présidentielle française de 2007 mais il arrive troisième au premier tour, derrière Nicolas Sarkozy et Segolène Royal. Il appelle ses électeurs à voter pour Ségolène Royal aux second tours dans les départements où elle se présentait contre Sarkozy.
Le 28 mai 2014, François Bayrou annonce son intention de ne pas se représenter comme député lors des élections législatives françaises de 2017, qui se tiendront le 11 et 18 juin. Il aura été député pendant plus de trente ans. Son successeur, Laurent Nucci, est élu le 18 juin 2017.
Au niveau européen, François Bayrou siège au Parlement européen du 20 juillet 2009 au 31 janvier 2022 en tant que membre du groupe des Alliances de l'Europe libres et démocrates (ALDE). Il a été réélu pour la première fois lors des élections européennes de juin 2009 avec plus de 46 % des voix dans sa circonscription des Pyrénées-Atlantiques.
En 2019, il est réélu pour un troisième mandat au Parlement européen.