«Певчая птичка» родилась 18 сентября 1587 года во Флоренции, Италия, в семье Джулио и Люсии Каччини. Ее отец был музыкальным композитором, а также членом Флорентийской камераты. Ее мать, Люсия, была певицей. Сеттимия (сестра Франчески) также была певицей и композитором. С ранних лет Франческа Каччини получала музыкальное образование у своего отца, а также изучала литературу, латынь, математику и греческий язык. Она активно участвовала в музыкальных спектаклях, организованных ее семьей. В 1600 году, в возрасте 13 лет, Франческа Каччини впервые выступила на сцене в качестве певицы. Девушка исполняла партию в опере ее отца «Эвридика» на торжественной церемонии бракосочетания Марии Медичи и Генриха IV. Ее новый на то время стиль исполнения привлек внимание французского короля, который предложил ей должность музыканта при своем дворе. Франческа умела играть на таких инструментах, как: лютня, гитара и арфа.
После занятий со своим отцом у Франчески был сформирован необычный талант, и вскоре она стала успешным музыкантом. Музыкальная карьера Франчески Каччини началась с ее композиции «La stiava» в 1607 году, которая была исполнена на флорентийском карнавале. В 1608 году она работала вместе с Микеланджело Буонарроти. Музыкальные таланты Каччини получили высокую оценку выдающихся музыкантов той эпохи. В 1610 году Клаудио Монтеверди, современник ее отца и один из основателей раннего барокко признал необыкновенный талант Франчески в пении и игре на музыкальных инструментах, таких как гитара, лютня и клавесин. К 1614 году Франческа Каччини стала самым высокооплачиваемым музыкантом при дворе Медичи. Ее работа «Il ballo delle Zigane», которую она написала в 1615 году, была хорошо принята в Италии. Она также преподавала музыку. Музыкальные композиции Каччини, а именно сборник из тридцати шести сольных песен и сопрано был опубликован в 1618 году. Эти шедевры эпохи были отчетливыми и касались целого ряда настроений. Они отображали радость, печаль, остроумие и романтику. Очень немногие работы сохранились до нашего времени.
Во время службы при дворе Флоренции Франческа Каччини была увлечена придворным музыкантом Джованни Батиста Синьорини. Пара связала себя узами брака 15 ноября 1607 года. У них родилась дочь в 1622 году. После смерти своего первого мужа в 1626 году Франческа Каччини снова вышла замуж за Томазо Рафаэлли, который был дворянином. В 1628 году у них родился сын. Второй муж Франчески Каччии скончался в 1630 году. После этого Франческа вернулась во Флоренцию с двумя детьми и служила учителем музыки при дворе Медичи.
Точной записи по поводу смерти Франчески Каччини не найдено. Согласно некоторым источникам Каччини находилась при дворе и вела активную работу до мая 1637 года, тогда как другие источники показывают, что она покинула семью Медичи 8 мая 1641. Некоторые исследователи ее жизни и творчества полагают, что она могла бы жить во Флоренции до самой смерти в 1640 году. Однако смерть Франчески была очевидна, поскольку ее сын был передан под опеку его дяде Джироламо Рафаэлли в феврале 1645 года.