Figlio di un medico, Giovan Francesco Penni nacque a Firenze sul finire del XV secolo. Giovanissimo entrò nella bottega di Raffaello Sanzio del quale divenne uno dei collaboratori più diretti insieme a Giulio Romano.
Il Penni collaborò agli affreschi delle Stanze di Raffaello in Vaticano e la critica moderna incontra difficoltà nel riconoscere i suoi interrventi in queste opere distinguendoli da quelli del maestro e di Giulio Romano.
Alla morte di Raffaello, Giovan Francesco e Giulio ereditarono le importanti commissioni in corso di realizzazione della bottega. In particolare i due pittori completarono la Stanza di Costantino.
Penni, che molti chiamavano "il Fattore" nel 1526 raggiunse a Mantova Giulio Romano che da due anni lavorava alle decorazioni di Palazzo Te per i Gonzaga. Il soggiorno mantovano fu breve e il Fattore cercò nuovi incarichi in Lombardia, a Roma e a Napoli. Qui morì nel 1528.