Han gick ensam och tyst runt koncentrations- och utrotningslägret i det nazistockuperade Polen där 1,1 miljoner människor, mestadels judar, dödades.
Påven Francis träffade också äldre överlevande i lägret, kysste dem på kinderna och talade mjukt till dem.
Han är på sin tredje dag av ett besök som markerar 1.050 år sedan Polens antagande av kristendomen.
Francis har blivit den tredje påven att gå genom huvudporten i Auschwitz, under dess ökända inskription "Arbeit Macht Frei" - arbete gör dig fri.
Men till skillnad från sina tyska och polska föregångare talar han inte om de fasor som inträffade där, säger BBC:s Adam Easton i Warszawa.
Francis passerade under grindarna ensam, klädda i vita dräkter och dödskalle. Efter att ha träffat de överlevande satte han ett ljus vid Dödsmuren, där fångar avrättades av nazisterna, innan han fortsatte på egen hand.
Påven stannade för att be i fängelsecellen i Maximilian Kolbe, en polsk katolsk munk som offrade sitt liv för att rädda en annan mans liv. Kyrkan gjorde honom till ett helgon 1982.
Påven Francis knäböjde i många minuter i den underjordiska cellen, upplyst endast av ljuset från ett litet fönster, rapporterar nyhetsbyrån Associated Press.
Den argentinska påven är på en fem dagars resa till Polen.
Under ett Världsungdomsdagsmöte i den södra staden Krakow på torsdag uppmanade han medömkan för invandrare.
Han berättade för hundratusentals människor att "ett barmhärtigt hjärta öppnar sig för att välkomna flyktingar och migranter" - ett uttalande som sätter honom i strid med Polens anti-immigrant högerregering.
Påven har framburit en privat bön i det tidigare dödslägret i Auschwitz.