Figlio di Niccolò Piccolomini e di Emilia Saracini, Francesco Piccolomini nacque a Siena il 25 gennaio 1523.
Si laureò in medicina nel 1546 ed iniziò ad insegnare a Siena, quindi a Macerata e Perugia. Dal 1549 fece parte dell'Accademia degli Intronati.
Visse a Padova dal 1506 dove, per primo, ebbe la cattedra di filosofia naturale che gli fu confermata nel 1565. Si ricorda una sua aspra disputa con il collega Federico Pendasio sull'interpretazione di Aristotele, disputa che si concluse nel 1571 con l'allontanamento del Pendasio, mentre Piccolomini proseguiva nalla sua carriera con grande successo e le sue lezioni attiravano a Padova nuovi studenti, fra i quali fu Torquato Tasso.
Nel 1583 fu stampata per la prima volta una sua opera, Universa philosophia de moribus, ma i suoi lavoro, circolanti in forma manoscritta, erano già molto noti.
Piccolomini continuò ad insegnare fino al 1598, nel 1599 tornò a Siena dove curò il completamento e la pubblicazione di diverse sue opere, continuando nella sua ricerca di conciliazione del pensiero di Aristotele con quello di Platone sul piano etico e politico.
Morì a Siena il 22 aprile 1607.

Opere
Universa philosophia de moribus - 1583
Comes politicus, pro recta ordinis ratione propugnator - 1594
Libri ad scientiam de natura attinentes - 1596
Librorum Aristotelis de ortu et interitu lucidissima expositio - 1602
In tres libros de anima lucidissima expositio - 1602
Instituzione del principe - 1602
Compendio della scienza civile - 1603
Octavi libri naturalium auscultationum perspicua interpretatio - 1606
In libros de coelo lucidissima expositio - 1607 (postuma)