O seu pai, Guidobaldo II, aderira à Liga Santa contra os turcos em resposta a um apelo que o Papa Pio V fizera aos príncipes católicos de boa vontade na defesa da Europa e da Cristandade da invasão muçulmana pelo que, em 1571, Francesco Maria II participou na Batalha de Lepanto, comandando um exército de 2.000 soldados oriundos do Ducado de Urbino. O jovem herdeiro prestigiou a sua Casa, distinguindo-se na batalha, combatendo ao lado de D. João de Áustria.