Freddie Francis werd geboren in Londen en studeerde aanvankelijk techniek. Eenmaal op een filmset was hij verkocht. Hij werkte zich op van loopjongen tot cameraman. In 1956 maakte hij zijn debuut als 'director of photography' voor de film A Hill in Korea, waarin ook een jonge Michael Caine debuteerde. Voor Sons and Lovers (1960) van Jack Cardiff won hij zijn eerste Oscar.

In 1962 regisseerde Francis de horrorfilm Paranoiac voor de Britse cultstudio Hammer. Later regisseerde hij ook horrorfilms voor concurrent Amicus. Francis stopt in deze periode als cameraman en gaat regisseren, naar eigen zeggen omdat hij als cameraman ook aan te veel slechte films moest meewerken om genoeg geld te verdienen.

Tot zijn bekendste werk als regisseur behoren Dr. Terror's House of Horrors (1964) en The Creeping Flesh (1972), waarin Peter Cushing een van zijn beste rollen speelt. Hoewel hij geen speciale affiniteit voor het genre koestert, blijft hij tot eind jaren '70 horrorfilms regisseren.

In 1980 vraagt David Lynch hem als 'director of photography' voor The Elephant Man. Francis grijpt deze mogelijkheid aan omdat hij de film in zwart-wit mag schieten . Francis heeft altijd over zijn camerawerk gezegd: 'Ik film nog steeds in zwart wit, ook al werk ik met kleurenfilm. Ik weet dat het aanmatigend klinkt, maar hou ik er nu eenmaal van om in termen van licht en donker te denken.'
Voor Lynch schiet hij ook nog Dune (1984) en The Straight Story (1999, zijn laatste film).

In 1990 wint Francis zijn tweede Oscar, voor Glory (1989) van Edward Zwick. In 1997 krijgt hij de Lifetime Achievement Award van de British Society of Cinematographers, en een jaar later eert de American Society of Cinematographers hem met de International Award.