Alla morte di Gian Gastone, il 9 luglio 1737, Francesco Stefano divenne granduca di Toscana. L'anno seguente, Carlo VI invitò la figlia e il genero a fare il loro ingresso formale in Toscana: per l'occasione, fu eretto un arco trionfale a Porta San Gallo, dove rimane ancor oggi; tuttavia, il soggiorno fu breve poiché l'imperatore richiamò la figlia, ormai sua erede designata a Vienna. Nella capitale danubiana, infatti, li attese una situazione assai complessa: dall'estate del 1738, l'Impero austriaco era in guerra con l'Impero ottomano ma il conflitto stava volgendo al disastro; le continue sconfitte e le perdite territoriali avevano portato i viennesi alla rivolta e Francesco Stefano, inviato al fronte, divenne oggetto del disprezzo generale in virtù delle sue origini francesi che ne facevano temere la lealtà; finalmente, nel 1739, la guerra si concluse con il trattato di Belgrado.