Han ble født i Nancy i Lothringen som sønn av hertug Leopold Joseph av Lothringen og hans kone Elisabeth Charlotte, datter av Phillippe I av Orléans. Hans bestemor Eleanore var datter av keiser Ferdinand III og gift med hans bestefar hertug Karl Leopold av Lothringen. Keiser Karl VI tilgodeså sin familie, som i tillegg til å være hans fettere og kusiner, hadde tjent Østerrike med utmerkelse. Han bestemte seg for å gi bort sin datter Maria Theresia til Franz' eldre bror Clement. Da Clement døde adopterte keiseren hans yngre bror som sin fremtidige svigersønn. Franz vokste opp i Wien, med Maria Theresia og i forståelse med at de skulle giftes en gang. I løpet av denne tiden oppsto også en virkelig forelskelse mellom dem.