Se dice que, mientras cuidaba ovejas, a Francisco se le apareció un ángel tres veces en 1916, junto con su hermana Jacinta y su prima Lucía dos Santos, cerca de Fátima (Portugal). Del 13 de mayo al 13 de octubre de 1917, los tres niños tuvieron apariciones de María los días 13 de cada mes (excepto en agosto, porque los niños habían sido secuestrados) en la Cova da Iria (en alemán: Grube der Iria), cerca de Fátima. Según su relato, vio la aparición, pero nunca la oyó hablar.
En diciembre de 1918 enfermó de gripe española, de la que murió el 4 de abril de 1919. El 13 de marzo de 1952 sus restos fueron trasladados a la Basílica del Rosario de Fátima.
Causas de beatificación y canonización
Con ocasión de la peregrinación del Papa Juan Pablo II a Fátima, Jacinta y Francisco fueron beatificados el 13 de mayo de 2000. Durante el proceso de canonización, el Papa Francisco reconoció un milagro atribuido a la intercesión de Francisco y su hermana Jacinta el 23 de marzo de 2017. La canonización tuvo lugar el 13 de mayo de 2017, durante la visita del Papa a Fátima con motivo del centenario de las apariciones marianas.
Su día litúrgico de conmemoración es el 20 de febrero.