Figlio di Giovanni della Rovere e di Giovanna da Montefeltro, nacque a Senigallia il 28 marzo 1490.
Nel 1504 lo zio Guidobaldo da Montefeltro lo adottò e quando morì nel 1508 lasciò a Francesco Maria I il titolo di duca di Urbino che si aggiunse a quello di duca di Sora ereditato dal padre nel 1501. Nel 1509 ebbe dal papa Giulio II la carica di capitano generale della Chiesa.
Nel 1516 fu privato del ducato di Urbino dal papa Leone X a favore di Lorenzo dei Medici e lo riebbe nel 1521 alla morte del papa.
Da Eleonora Gonzaga, sposata nel 1595 ebbe cinque figlio: Guidobaldo, Ippolita, Elisabetta, Giulia Feltria, Giulio Feltrio.
Francesco Maria morì avvelenato il 20 ottobre 1538.