В 1658 году Франсуа Паллю организовал вместе с Александром де Родом, Пьером Ламбером де ла Мотт и Игнатием Котоленди миссионерскую организацию «Парижское Общество Заграничных Миссий». В 1658 году был рукоположён в титулярного епископа города Гелиополя и назначен Святым Престолом викарным епископом города Тонкина и пяти областей Юго-Западного Китая.
Торговые компании, занимавшиеся торговлей с азиатскими странами, отказали Франсуа Паллю в месте на корабле и он был вынужден добираться в Юго-Восточную Азию по суше на перекладных через Персию и Индию. Путешествие, начатое из Марселя 26 ноября 1660 года, длилось 24 месяца. 3 января 1662 года он прибыл в Сиам, который стал отправной точкой его дальнейшей миссионерской деятельности. В 1665 году он основал в королевстве Аютия семинарию святого Иосифа для юношей из местного населения и школу в Пинанге, Малайзия.
С 1667 по 1673 год находился во Франции, где в 1668 году издал книгу «Relation abr?g?e des missions», в которой описал свою миссионерскую деятельность в Юго-Западной Азии. В 1673 году он вернулся в Сиам.
В 1674 году Франсуа Паллю отплыл в Тонкин, но корабль, застигнутый штормом, был вынужден на Филиппинах, в Маниле. На Филиппинах Франсуа Паллю был арестован испанцами и доставлен на корабле в Акапулько, Латинская Америка, где он был освобождён после вмешательства римского папы Климента XI и французского короля Луи XIV. В 1682 году Франсуа Паллю возвратился в Сиам и в 1684 году прибыл в Китай, где руководил Римско-Католической епархией в городе Фучжоу.
Франсуа Паллю умер в 1684 году в китайской провинции Цзянсу.