Francesca Michielin nació en Bassano del Grappa, al norte de Italia, el 25 de febrero de 1995. A la edad de 9 años comenzó a estudiar piano y a partir de los 12 años formó parte de algunos coros locales.

En 2011 participó y ganó la quinta edición del programa de talentos Factor X en el equipo de las mujeres de 16-24 años, orquestado por Simona Ventura. A principio de 2012 firmó contrato con Sony Music y lanzó su sencillo debut titulado Distratto, el cual alcanzó la primera posición de las listas de ventas siendo certificado como multi-platino con más de 60.000 copias vendidas. La canción fue precedida del EP debut homónimo, alcanzando la 9ª posición en las listas de éxitos. Aprovechando el comienzo de su carrera, Francesca apareció como invitada en la edición de 2012 del Festival di Sanremo, interpretando la canción Al posto del mondo de la participante Chiara Civello. A su vez, su tema Distratto fue utilizada en la película 10 regole per fare innamorare, aunque no se incluyó en el disco de la misma.

En agosto lanzó el sencillo Sola, que anticipa el lanzamiento del primer álbum de estudio de la cantante bajo el nombre Riflessi di me, publicado en octubre de ese año. Este álbum fue, además, el inicio de una carrera como compositora y letrista, alcanzando la 4ª posición en las listas de ventas italianas, mientras que el sencillo alcanzó la 13ª después de certificarse como Oro con más de 150.000 copias vendidas. Del disco también se desprenden los sencillos Tutto quello che ho y Se cadrai. También ha colaborado con el rapero Fedez en la realización de la canción Cigno nero incluída en el álbum Sig. Brainwash – L’arte di accontentare. En verano de 2013 formó parte de varios conciertos en abierto junto a otros artistas en Gardone Riviera, Tarvisio, Marina di Pietrasanta y Padua.

En enero de 2014 participó en la obra de teatro La ragazza con l’orecchino di perla en el papel de la protagonista. Dos meses después es elegida como solista femenina para la banda sonora de la película The Amazing Spider-Man 2 – Il potere di Electro. Convirtió el tema central de la película, Amazing, en sencillo que lanzó al mercado. Volvió a trabajar con Fedez en la canción Magnificent que figura en el 4º álbum del rapero. En marzo de 2015 es lanzado el sencillo L’amore esiste, mientras que en abril se reveló su participación en la canción Le nostre ali del álbum Ora o mai del artista Don Joe. Además, participó en verano en la 3ª edición del Festival Coca-Cola con su último sencillo y acompañada del recurrido Fedez, obteniendo dos nominaciones para el Premio RTL 102.5 – Canzone dell’estate. En julio presentó su nuevo sencillo Battito di ciglia y en septiembre Lontano. Ese último mes fue la protagonista de un concierto en la Piazza del popolo de Terni dedicado a Sergio Endrigo por el décimo aniversario de su fallecimiento. A finales de mes, la cantante presenta a través de Facebook el que sería su segundo álbum de estudio, titulado di20 y publicado en octubre.

En diciembre estrenó el videoclip del tema 25 febbraio mientras se anunciaba su participación en la 66ª edición del Festival della Canzone Italiana di Sanremo. Participaría en la sección Campioni con la canción Nessun grado di separazione, con la que queda clasificada en segunda posición por detrás de los ganadores Stadio. Debido a que estos últimos decidieron renunciar a la participación en Eurovision que les otorga la victoria del festival italiano, Francesca se convierte así en la representante del país en Estocolmo 2016. Su tema es reducido a los tres minutos reglamentarios del Festival, traducido al inglés por No Degree Of Separation y presentado en el escenario con una puesta conceptual y artística con efectos de realización en pantalla. Los 124 puntos que le otorgaron la colocaron en la posición 16 de la gran final.

Debido a su paso por Eurovisión, su último álbum fue relanzado y consiguió un notorio éxito en su país. Un cuore in due y Almeno tu se desprenden como dos de los sencillos del álbum. A lo largo de los últimos meses de 2016, ha estado haciendo diferentes conciertos a pequeña escala por todo el país. Además su tema Tu sei una favola (2017) formó parte de la banda sonora de la película animada Ballerina. El 12 de enero de 2018 salió a la venta su tercer disco 2640, que ha venido acompañado de una gira y con cuatro sencillos Vulcano (2017), Io non abito al mare (2017), Bolivia (2018), y Tropicale (2018). Mientras tanto colaboró con el dúo de raperos Carl Brave x Franco126 en su tema Fotografia, que resultó ser un hit veraniego del que se vendieron más de 150.000 copias.

A finales de 2018 la cantante inicia la gira Il tour sopra la techno, donde se muestra con un set electrónico accionado enteramente por la propia cantante.

A partir de 2019 Francesca entra en un período en el que apuesta por las colaboraciones, participando en discos de otros artistas, como James Morrison, o en algunos temas para cine. Entre estas colaboraciones destacan las realizadas para el largometrage Ralph spacca Internet, o la banda sonora completa del cortometraje A Cup of Coffe with Marilyn, con la que llega al Festival de Cannes. El período culmina con la aparición, en noviembre de 2019, del tema Cheyenne, compuesto entre otros por el eurovisivo Mahmood que anticipa el lanzamiento del nuevo álbum de la cantante, Feat (stato di natura). Se trata de un disco en el que colabora con un artista diferente en cada uno de los 11 temas del álbum. Para presentarlo, la cantante ofrece tres conciertos en Milán, cada uno con un repertorio ligeramente diferente, y al final de cada cual presenta un tema nuevo: Gange en colaboración con Shiva, Riserva naturale con Coma_cose y Monolocale  con Fabri Fibra. Finalmente, un día antes del lanzamiento del disco, publica Stato di natura, con Maneskin.

En 2021 participa nuevamente en la 71º edición del Festival di Sanremo con la canción Chiamami per nome a dúo con el cantante Fedez, no sin una cierta polémica ya que la canción se filtra antes de la primera gala del festival, algo completamente prohibido por las normas que rigen el festival. No obstante, la dirección decide que la canción continúe en competición, alzándose finalmente con la segunda posición, tras la exitosa Zitti e buoni.