月18日，按照其父的意愿，弗朗切斯科与哈布斯堡王朝的神圣罗马帝国皇帝斐迪南一世的幼女奥地利的约翰娜结婚。事实证明，这是一桩不幸的婚姻，婚后的约翰娜思乡心切，而她的丈夫即无魅力又不忠诚。1578年，约翰娜去世时才30岁。在夫人去世后，大公很快就和他的威尼斯情妇比安卡·凯佩罗结婚，当然首先要巧妙的除去她的丈夫。因为重婚的速度太快和美第奇家族的不良前科（大公的弟弟前不久才谋杀了自己的妻子），所以谣言四起。这段婚姻并没有孩子，但弗朗切斯科一世收养了比安卡前次婚姻带来的2个孩子：女儿帕莱格林娜和儿子安东尼奥。