Франц I Стефан родился 8 декабря 1708 года в городе Нанси, Франция. Второй сын лотарингского герцога Леопольда-Иосифа и французской принцессы Елизаветы-Шарлотты Орлеанской. В 1729 году, после неожиданной смерти старшего брата, Леопольда-Клеменса, получил престол отца.

В 1723 году Франц Стефан переехал в город Вена, Австрия, под особым покровительством императора Карла VI, мечтая о браке с его дочерью, Марией Терезией.

В 1732 году Франца назначили императорским наместником в Венгрии. В городе Вена составили план двойного брака Марии Терезии, как наследницы корон австрийской, чешской и венгерской, с баварским наследным принцем, а ее сестры с испанским инфантом Дон Карлосом. При самом заключении брака с Марией Стефан был вынужден отдать Франции герцогство Бар, отказаться от Лотарингии в пользу тестя французского короля, Станислава Лещинского, взамен Лотарингии получить Тоскану, после смерти последнего из Медичи.

Назначение наместником Нидерландов и обещание руки Марианны, сестры Марии Терезии, его брату, стало вознаграждением за жертву, которую принес лотарингский дом, отказавшись от родной страны.

В 1737 году, после смерти последнего Медичи, Джана Гастоне, Франц со своей молодой женой отправился во Флоренцию, чтобы вступить во владение Тосканой, но скоро вернулся в город Вена. После вступления на престол Марией, Стефан стал соправителем только по имени. 

В 1742 году сложил с себя звание главнокомандующего. Через три года избран в германские императоры, 4 октября коронован в городе Франкфурт-на-Майне. 

С 1763 года стал во главе финансового ведомства, выступал за союз с морскими державами. В следующем году устроил избрание старшего сына, Иосифа, в римско-германские короли. Интересовался естественными науками, оставив большие, хорошо подобранные коллекции.

Франц I Стефан умер 18 августа 1765 года в городе Иннсбрук, Австрия.