Figlio di Guidobaldo II della Rovere duca di Urbino e conte di Montefeltro e di Vittoria Farnese, nacque a Pesaro il 20 febbraio 1549.
Crebbe alla corte paterna ricevendo un'educazione di livello superiore e nel 1565 fu inviato alla corte di Spagna dove intrecciò una relazione sentimentale con una damigella della regina, per questo motivo il padre lo richiamò perentoriamente a Urbino nel 1568 e gli impose il matrimonio con Lucrezia d'Este, più anziana di lui di quindici anni, ma prestigiosa per il lignaggio e attraente per la dote.
Il matrimonio, celebrato nel 1570, fu assolutamente infelice e pochi mesi dopo, avendo Guidobaldo aderito alla Lega Santa contro i Turchi, Francesco Maria si imbarcò per l'Oriente ben lieto di allontanarsi dalla moglie.
Tornò a Urbino nel 1571 dopo aver valorosamente preso parte alla battaglia di Lepanto.
Il 28 settembre 1574 Guidobaldo II morì lasciando il ducato a Francesco Maria che subito inaugurò una politica di miglioramento dei rapporti con la popolazione attuando diversi provvedimenti fra cui l'espulsione di ministri e funzionari del padre colpevoli di molti misfatti e malvisti dai sudditi.
Per risanare le finanze statali che il pèadre aveva lasciato in pessime condizioni, Francesco Maria II ridusse drasticamente le spese di corte, vendette ai Boncompagni il ducato di Sora e riuscì a riportare in attivo il bilancio senza aumentare i gravami fiscali.
Uomo molto colto e amante delle lettere, fu omaggiato dai più importanti autori e filosofi del suo tempo, non senza qualche esagerazione.
I problemi coniugali furono risolti con una separazione consensuale, Lucrezia ottenne una modesta rendita ma tornò ai lussi della corte di Ferrara dove si concesse alcune relazioni amorose. La donna morì nel 1589 senza aver avuto figli e Francesco Maria, ormai quarantanovenne, decise, sia pur controvoglia, di risposarsi per dare continuità alla successione dinastica ed evitare che la Chiesa in quanto feudataria di Urbino rientrasse in possesso del ducato.
Poiché la priorità era avere un erede fu scelta una sposa molto giovane, Livia della Rovere figlia di un cugino di Francesco Maria che aveva allora quattordici anni. Il matrimonio fu celebrato nel 1599 e nel 1605 nacque il sospirato erede, Federico Ubaldo.
Continuando a preoccuparsi per le mire dei papi su Urbino, Francesco Maria strinse alleanza con i Medici combinando con largo anticipo il matrimonio fra Federico Ubaldo e Claudia de' Medici che fu celebrato nel 1621.
Una volta consolidata questa alleanza Francesco Maria si ritirò nella sua residenza di Casteldurante affidando il ducato al figlio che tuttavia non dimostrò di essere in grado di governare e comunque morì improvvisamente nel 1623.
Nominò sua erede la piccola Vittoria figlia di Federico Ubaldo per mettere al sicuro i beni allodiali e acconsentì al suo fidanzamento con Ferdinando de' Medici.
Riprese il governo del ducato ma non ritenne di avere le energie per contrastare ancora l'ingerenza del papa e nel 1624 riconobbe i diritti feudali della Chiesa su Urbino e Montefeltro.
Contrastato e maltrattato dai delegati pontifici, Francesco Maria si ritirò a Casteldurante dove morì il 28 aprile 1631.
Pochi giorni dopo Urbano VIII annetteva ufficialmente il ducato allo Stato della Chiesa.