На наступному великому турнірі, чемпіонаті світу 2002 року, Тотті провів всі 4 гри. Напередодні мундіаля Франческо вважався одним з можливих головних героїв першості. Також, як і за два роки до цього, одним з головних питань була можливість виступу разом Тотті й Дель П'єро, які були лідерами збірної, але грали на одній позиції. У першому матчі з Еквадором Франческо зробив гольову передачу, а його команда перемогла 2:0. У наступній грі італійці програли 1:2 хорватам; Франческо невдало провів перший тайм, але в другому став «диригентом» атак команди і почав гольову атаку, у якій «Скуадра Адзурра» забила єдиний м'яч, а також потрапив у штангу ударом зі штрафного. У третій грі групової стадії Італія зіграла внічию з Мексикою 1:1 і вийшла в раунд плей-оф. Гру з Мексикою Тотті провів невдало. На думку Андрія Канчельскіса, «до межі розкручений італійськими газетами, він забув, що на полі треба боротися й допомагати партнерам. Тотті зіграв не по-чоловічому, прибирав ноги, у цій грі він зрадив своїх партнерів. Трапаттоні потрібно було замінити його на Дель П'єро ще в перерві»; також Франческо отримав жовту картку за неспортивну поведінку. У матчі 1/8 фіналу зі збірною Південної Кореї Тотті був видалений з поля на 105-ій хвилині зустрічі за другу жовту картку. Арбітр зустрічі оцінив падіння Франческо як симуляцію, однак багато експертів зійшлися на думці, що Тотті, як мінімум, не симулював. Після видалення італійця корейці забили «золотий м'яч». Після закінчення гри Ческо сказав: «Це скандал. Не питайте мене, чому таке відбувається на чемпіонаті світу. Я не знаю».