Figlio di Leopoldo duca di Lorena e di Elisabetta Carlotta d'Orleans, Francesco Stefano nacque a Nancy l'8 dicemmbre 1708.
Il fratello maggiore Leopoldo Clemente morì di vaiolo nel 1723 e Francesco Stefano fu legato da un accordo prematrimoniale a Maria Teresa d'Austria, figlia dell'imperatore Carlo VI, che avrebbe dovuto sposare il defunto.
Alla morte del padre, nel 1729, Francesco Stefano divenne duca di Lorena e nel 1730 fu nominato governatore d'Ungheria.
Nel 1736 in base alla pace che metteva fine alla guerra di Polonia, Stanislao Leszczyński, suocero del re di Francia Luigi XV, che aveva perso la corona polacca, fu indennizzato con la Lorena mentre a Francesco Stefano andò in cambio il titolo di Granduca di Toscana del quale venne effettivamente in possesso solo nel 1736 alla morte del duca Gian Gastone de' Medici.
Il 12 febbraio 1736 fu celebrato il matrimonio fra Francesco Stefano e Maria Teresa d'Austria, con l'assenso dell'imperatore che aveva posto per le nozza la condizione che Francesco cedesse la Lorena.
Nel 1740 Maria Teresa ereditò dal padre gli stati asburgici ma dovette affrontare la guerra di successione contro Francia, Baviera e Prussia. Entrò in possesso delle corone ereditate ma i principi elettori nominarono imperatore Carlo VII che morì nel 1745.
In quell'anno Francesco Stefano, che era stato nominato coreggente dalla moglie, divenne imperatore con il nome di Francesco I.
Francesco I si limitò ad assistere Maria Teresa nei compiti governativi mentre si dedicò assiduamente alla gestione delle finanze di famiglia e, si dice, alle sue numerose amanti. Operò efficacemente nel campo delle finanze statali e dell'economia nazionale. Promosse iniziative ed istituzioni di carattere culturale e scientifico.

Morì ad Innsbruck per un colpo apoplettico il 18 agosto 1765 e fu sepolto nella Cripta Imperiale di Vienna.
Aveva avuto da Maria Teresa sedici figli di cui dieci raggiunsero l'età adulta. Gli successe sul trono imperiale il figlio Giuseppe II.