Segunda de los tres hijos del compositor y cantante Giulio Caccini y de la cantante Lucia di Filippo Gagnolanti.  Su madre murió en 1593, cuando aún era pequeña y luego su padre se casó nuevamente y viajó con toda la familia a Florencia. Francesca recibió una educación humanística (latín, algo de griego, así como los idiomas modernos, literatura y matemáticas) además del entrenamiento musical temprano con su padre, convirtiéndose en una persona de amplia cultura y poseedora de hermosa voz de soprano.

Su primera actuación en público como cantante fue en 1600 en la boda de Enrique IV de Francia y de María de Médicis; su padre participó en la organización y composición de la música para la ceremonia. En 1604, la familia Caccini viajó a Francia, el rey Enrique IV quedó impresionado con sus actuaciones y le propuso que se quedaran en su corte, sin embargo los funcionarios florentinos se opusieron, y ella regresó a Italia, donde su fama siguió creciendo. Poco tiempo después, atrajo la atención de Claudio Monteverdi, impresionado por su canto.

A principios de su carrera actuaba con sus padres, hermano y hermana con el nombre de Concerto Caccini, pero más adelante formó grupo con su hermana Settimia y el ejecutante romano Vittoria Archilei. En esta época recibió en ocasiones el nombre de la Cecchina. Durante este tiempo empezó a desarrollar su habilidad como compositora.

Camafeo con retrato de Francesca Caccini

La primera música de Francesca para la escena, "La striava", se realizó en 1607 en el Carnaval Florentino. Desgraciadamente, la música no ha sobrevivido. En 1607 contrajo matrimonio con un miembro del Camerata florentino, Giovanni Battista Signorini. Se casaron el 15 de noviembre de 1607 y tuvieron una hija, Margherita, en 1622.

Conjuntamente con el libretista Michelangelo Buonarotti (sobrino del magnífico artista) escribió música para muchos intermedios en la Corte de los Médicis y también comenzó a escribir las recién estrenadas óperas. Antes de 1618 era uno de los empleados mejor pagados de la corte y cobraba más que su padre.

Menos de un año después de la muerte de Giovanni en 1626, Francesca se casó con un aristócrata llamado Tomaso Raffaelli. Tuvieron un hijo, también llamado Tomaso, en 1628, pero la nueva familia sería rota pronto por otra muerte prematura, pues el nuevo marido de Francesca murió en 1630.

En 1625 obtuvo uno de sus mayores éxitos con la ópera cómica “La liberazione di Ruggiero dall'isola d'Alcina”, compuesta para la visita del príncipe Wladislaw Sigismund de Polonia, y estrenada el 3 de febrero de 1625 en la Villa di Poggio Imperiale de Florencia, con libreto de Ferdinando Saracinelli y basada en la obra de Ludovico Ariosto “Orlando Furioso”. Esta ópera fue interpretada también en Varsovia en 1628, siendo esta la primera ópera italiana representada fuera de sus fronteras.

Edición discográfica de obras de Francesca Caccini

Los datos de los últimos años de su vida son escasos, existen documentos en que aparece una Francesca Caccini, esposa de un senador, muerta en 1640, aunque otras fuentes datan su muerte en 1630.

Francesca escribió cinco óperas, cuatro de las cuales se han perdido (solamente ha sobrevivido “La liberazione di Ruggiero dall'isola d'Alcina”). También compuso obras religiosas, seculares, vocales e instrumentales, la única colección que perdura es una publicación de 1618, “Il primo libro delle musiche”. Il Primo Libro, incluye tanto composiciones sacras como seculares para voz de soprano sola y continuo. La música para "Il Primo", que se escribió en un periodo de diez años, incluye también cuatro dúos para soprano y bajo. Ella escribía claramente para su propia voz y su capacidad. Fue la primera mujer en componer una ópera.

Francesca continuó actuando, componiendo y enseñando por lo menos hasta mayo de 1637, cuando renunció a la corte de Medici. Después de esto hay informes confusos sobre su situación y muerte eventual. Es probable que se haya quedado en Florencia, donde algunos dicen que murió en 1640. Otra versión señala que Francesca deja para siempre el servicio de los Medici en mayo de 1641 y desaparece de los registros públicos. Sin embargo probablemente murió en febrero de 1645, cuando la custodia de su hijo Tomaso pasó a su tío Girolamo Raffaelli. Francesca comparte una tumba en San Michele Visdomini con su padre Guilio, su hermana Settimia y una persona no identificada conocida como Dianora.

Francesca permanecerá conocida como una de las más grandes compositoras  de todos los tiempos, pero la calidad de su música habla por sí misma, sin tener en cuenta el género de la persona que la escribió.