De acordo com as memórias de Lúcia, Francisco era um rapaz muito dado, mas calmo, e gostava de música, o qual mostrava habilidade no pífaro. Sendo muito independente nas opiniões, era, no entanto, pacificador, e mostrava-se muito respeitoso pelas pessoas. Conta a sua prima que até os animais não escapavam à sua caridade.
Na sequência das aparições marianas, o comportamento dos dois irmãos alterou-se e desde então Francisco passou a preferir rezar sozinho. Marcado pelas palavras de Nossa Senhora para "que não ofendam mais a Deus", ele retirava-se na solidão "para consolar Jesus pelos pecados do mundo".
As três crianças, particularmente o Francisco, tinham o costume de praticar mortificações e penitências, mas que Nossa Senhora, numa das suas aparições, pedira moderação. Contudo, como penitência, Francisco deixara de ir à escola e escondia-se para fazer reparação pelos pecadores. É possível que os prolongados jejuns o tenham enfraquecido a ponto de sucumbir à epidemia gerada pela pneumónica que varreu a Europa em 1918, em consequência da Primeira Guerra Mundial. Ele acabou por falecer em casa em 1919. O seu corpo encontra-se sepultado na Basílica de Nossa Senhora do Rosário em Fátima.
Francisco e a irmã Jacinta Marto foram beatificados pelo Papa João Paulo II em 13 de maio de 2000. O seu dia festivo é 20 de fevereiro. A sua canonização realizada pelo Papa Francisco ocorreu no dia 13 de maio de 2017, por ocasião das celebrações do Centenário das Aparições de Fátima.
