Secondogenito di un mercante di seta, alla morte del padre nel 1590 Francesco entra nella bottega bolognese del pittore Denijs Calvaert, dove studiano pittura anche Domenichino e Guido Reni. Nel 1595 lascia la bottega del fiammingo per entrare a far parte della scuola dei Carracci. Tra il 1596 e il 1598 partecipa alla decorazione dell’oratorio di San Colombano e, sempre a Bologna, agli affreschi con le Storie tratte dall’Eneide in Palazzo Fava. Nel 1599 è nel Consiglio dei Trenta dell’Arte dei Pittori di Bologna e, nello stesso anno, realizza la tela con la Madonna e le Sante Caterina e Maddalena per la chiesa dei santi Fabiano e Sebastiano. Dal 1601 al 1602 è a Roma con il Reni per studiare le opere di Raffaello e Annibale Carracci. È qui che, sull’orma di Annibale, il suo stile si eleva a quella audace sintesi di ellenismo veneto-raffaellesco di cui Nicolas Poussin farà più tardi tesoro. A Roma lavora alacremente alla decorazione di due cappelle: la Cappella Aldobrandini a San Carlo al Corso e la Cappella Herrera in San Giacomo degli Spagnoli. Partecipa inoltre alle decorazioni di Palazzo Mattei (Sogno di Giacobbe), Palazzo Verospi al Corso (L’allegoria del tempo) e Palazzo Giustiniani a Bassano di Sutri (La caduta di Fetonte), a fianco di Domenichino e dell’allievo Giovanni Battista Viola. Ancora a Roma decora tra il 1612 e il 1614 l’abside della Cappella Maggiore di Santa Maria della Pace. Dopo aver lavorato alla corte di Mantova tra il 1621 e il 1622, torna a Roma per due anni e vi realizza, su commissione di Scipione Borghese, i grandi tondi delle Storie di Venere e Diana (1625). Poi si stabilisce definitivamente a Bologna, dove, fra il 1630 e il 1632 affresca la Cappella Cagnoli di Santa Maria di Galliera e l’Annunciazione per la chiesa di San Bartolomeo. Nel 1633 Giovan Carlo de’ Medici lo chiama a Firenze per ultimare i quadri ordinati dal duca di Mantova. La sua ultima opera è forse il Riposo nella fuga in Egitto, dipinto per Vittoria de’ Medici e oggi conservato a Palazzo Pitti.