Старший сын эрцгерцога Франца Карла, сына Франца II и младшего брата Фердинанда I. Мать — София Баварская. В ходе австрийской революции 1848 года его дядя отрёкся от престола, а отец отказался от прав наследования, и 18-летний Франц Иосиф I оказался во главе многонациональной державы Габсбургов.
За семь десятилетий правления Франца Иосифа (который активно не участвовал в государственных делах) Австрийская империя, в середине XIX века бывшая великой державой, пришла к полному краху в результате Первой мировой войны.
Новый император получил корону во многом благодаря помощи русских войск в подавлении Венгерского восстания, что было ударом по престижу австрийской монархии. В начале Крымской войны немаловажную роль сыграла уверенность русского императора Николая I в поддержке недавно вырученных австрийцев. Несмотря на то, что Австрия не вступила в конфликт, ряд дипломатических ошибок - прежде всего жесткий ультиматум по условиям мира, выдвинутый России именно Австрией - привёл к тому, что страна осталась без значимых союзников. Этим воспользовалось Сардинское королевство, при поддержке Франции и Пруссии возобновившее борьбу за объединение Италии. В результате к 1860 году империя потеряла Ломбардию, а представители дома Габсбургов лишились власти в Модене и Тоскане.
В 1866 году Австрия начала войну против Пруссии, причиной которой был вопрос о лидерстве в германском мире. После битвы при Садовой, закончившейся разгромом австрийской армии, империя была вынуждена признать поражение. Австрия потеряла Венецию и признала объединение северогерманских государств с Пруссией. Вскоре после этого венгерская элита потребовала от Франца Иосифа предоставления ей равных прав с австрийскими немцами и преобразования Австрийской империи в двуединую монархию. Опасаясь новой революции, император, в 1853 году чуть не убитый венгерским националистом, был вынужден согласиться. Это привело к началу национального движения и среди других народов дунайской монархии.
В 1871 году Австро-Венгрия признает провозглашение Германской империи и вступает с ней в альянс (до середины 1880-х в него входила и Россия). Это позволяет державе Франца-Иосифа добиться усиления влияния на Балканах в ходе Русско-турецкой войны 1877—1878 годов, в частности империя оккупировала, а в 1908 году аннексировала Боснию-Герцеговину. Последнее событие привело к усилению разногласий с Россией, открытому противостоянию с Сербией и в конечном счёте фатальному участию Австро-Венгрии в Первой мировой войне. Сам Франц Иосиф не застал крах своей империи, он умер в 1916 году в возрасте 86 лет.
В 1854 году Франц Иосиф женился на баварской принцессе Елизавете, известной как «Сисси». Её отношения с матерью Франца Иосифа императрицей Софией не сложились, вскоре у Елизаветы развилось нервное расстройство. Поскольку престиж императорской фамилии и так был нарушен гомосексуальными похождениями младшего брата Франца Иосифа I Людвига (который в итоге был выслан из Вены), во избежание возможных осложнений Елизавета удалилась от двора. С 1875 года до 1914 года летней резиденцией для супружеской пары явилась вилла в Бад-Ишле. С 1860-х годов императрица проводила время в путешествиях, редко встречаясь с мужем и почти не участвуя в воспитании детей.
Первая трагедия потрясла семью Франца Иосифа в 1867 году, когда в Мексике республиканцами был расстрелян его родной брат Максимилиан, провозглашенный императором Мексики. В 1872 году умирает мать Франца Иосифа София, оказывавшая большое влияние на сына, через шесть лет — его отец Франц Карл.
В течение 14 лет продолжалась любовная связь императора с женой железнодорожного служащего Анной Наговски. Предполагается, что Франц Иосиф является отцом двух детей Анны Наговски — Хелены и Франца. С 1885 года любовницей императора была актриса Катарина Шратт, их отношения никогда не скрывались.
Единственный сын и наследник Франца Иосифа кронпринц Рудольф застрелился в 1889 году в замке Майерлинг, убив перед тем свою возлюбленную баронессу Марию Вечера. В 1898 году императрица Елизавета была убита в Женеве итальянским анархистом Луиджи Лукени.
После самоубийства Рудольфа новым наследником престола стал племянник императора Франц Фердинанд. В 1914 году новый престолонаследник был убит вместе с женой в Сараеве сербским террористом Гаврило Принципом.
На Папском конклаве 1903 император Франц Иосиф наложил вето на избрание кардинала Рамполлы дель Тиндаро на папство. Формулу вето провозгласил от имени императора краковский кардинал Пузина. Кардиналы не смогли перечить Францу Иосифу, единственному монарху, у которого с папами не было конфликтов. Был избран Джузеппе Сарто. За 68 лет своего правления это единственный случай, когда Франц Иосиф применил своё право вето. Франц Иосиф — последний монарх в истории, который его применил; новый папа Пий X отменил это право.
Император был известен консерватизмом, простотой быта, вниманием к этикету и традициям. Он называл себя «последний монарх старой школы». После того, как его брат был расстрелян в Мексике, до конца жизни, почти 50 лет, император не принимал мексиканских посланников. Он так и не провёл во дворец телефон и с большим трудом согласился на электричество. Когда его сын покончил с собой, Франц Иосиф написал всем европейским монархам, что причиной гибели кронпринца стал случайный выстрел на охоте; но папе Льву XIII он написал правду.
Нередко говорят, что австрийцы, венгры и чехи до сих пор рано встают и рано ложатся (и соответственно активная жизнь в городах начинается и замирает раньше) потому, что Франц Иосиф, бывший «жаворонком», за долгое царствование приучил к своему режиму всю империю.
В его честь названа принадлежащая России Земля Франца-Иосифа, открытая в 1873 году австрийской полярной экспедицией.
Его Императорское и Королевское Величество Франц Иосиф I, Божьей милостью император австрийский, апостолический король венгерский, король богемский, король ломбардский и венецианский [титул короля ломбардского и венецианского снят в 1869 после объединения Италии], далматский, хорватский, славонский, лодомерский [то есть Владимира-Волынского/Галиции] и иллирический, король иерусалимский и проч.;
эрцгерцог австрийский; великий герцог тосканский и краковский; герцог лотарингский, зальцбургский, штирский, каринтийский, карниольский и буковинский; великий князь трансильванский; маркграф моравский; герцог верхней и нижней Силезии, моденский, пармский, пьяченцский и гуастальский, Освенцима (Аушвиц) и Затора; тешинский, фриульский, рагузский (Дубровник) и зарский (Задар);
владетельный граф габсбургский и тирольский, кибургский, горицский и градишский;
князь трентский и бриксенский;
маркграф Верхних и Нижних Лужиц и Истрии;
граф Гогенемс, Фельдкирх, Брегенц, Зоннеберг и проч. [NB жена Франца Иосифа императрица Елизавета часто путешествовала под именем графини Гогенемс];
государь Триеста, Котора и Вендской марки;
Великий Воевода Сербии (Воеводины),
и прочая, и прочая, и прочая.
Кавалер российского ордена Святого Георгия 4-й степени (2 июня 1849, № 8141 по кавалерскому списку Григоровича—Степанова).
Франц Иосиф в форме фельдмаршала. Портрет Ф. Винтерхальтера, 1865
Его Апостолическое Величество Император Франц-Иосиф I. Русская гравюра, 1914
Бюст Франца Иосифа I в Сегеде
Памятник Францу Иосифу I в Вене
Франц-Иосиф не интересовался искусствами, но покровительствовал географическим исследованиям. В частности, чешскому путешественнику-африканисту Эмилю Голубу.
В романе Ярослава Гашека «Похождения бравого солдата Швейка» отражено крайне презрительное отношение чехов к «старику Прогулкину» («Starej Proch?zka», прозвище Франца-Иосифа у чехов). Более того, в романе подчеркивается, что именно здравицы в честь императора со стороны Швейка вызывают твердую уверенность в его дегенеративности и слабоумии даже у должностных защитников Австро-Венгерской империи.
Такое отношение объясняется политикой подавления и германизации славян (в частности чехов) в Австро-Венгрии и прогрессирующей деградацией этого государства к концу правления императора, что очень ярко отражено в романе.
В опреретте «Цыган-премьер» император Франц-Иосиф является одним из действующих лиц, более того, частично сюжет строится на внешнем сходстве императора и загримировавшегося под императора слуги, бывшего актера Кадо.