År 1570 utsåg drottningen Walsingham till det diplomatiska uppdraget att hjälpa hugenotterna i deras förhandlingar med kungen av Frankrike. Senare samma år efterträdde han som ambassadör i Frankrike. Hans främsta strävan var att åstadkomma en allians mellan England, Karl IX, hugenotterna och andra europeiska reformerta intressenter som kunde tänka sig att vara med och stödja en revolt i Nederländerna, där man önskade göra sig fri från spansk, katolsk, överhöghet. När det katolska motståndet mot dessa planer resulterade i att Coligny mördades och följdes av massakern under Bartolomeinatten, blev Walsinghams residens i Paris en fristad för reformerta flyktingar, däribland sir Philip Sidney. Desillusionerad återvände Walsingham i april 1573 till England. Hans tid i Paris hade tjänat till att stärka Elisabets förtroende för honom, och hade lagt grunden för hans fortsatta karriär.