Su padre Giulio estaba empleado por la familia Médici, que gobernaba gran parte de Florencia. Transmitió gran parte de su carrera a su familia; los involucró en su música e incluso formó una banda familiar de canto. Mientras trabajaba allí, Giulio conoció el concerto delle donne, un grupo de cantantes profesionales contratadas por la corte de Ferrara.⁵​ Se presume que persuadió al concerto delle donne para que enseñaran a sus hijas a cantar de la misma manera que ellas. En lugar de cantar en solitario, que era muy popular en ese momento, Giulio insistió en que estaban preparados para cantar en grupo, llamado Il Concerto Caccini.⁵​⁶​ Tanto Francesca como Settimia eran sopranos.⁷​ En 1600, las hermanas cantaron en la ópera de su padre Il rapimento di Cefalo para la boda de María de Médici y Enrique IV de Francia y, probablemente, también lo hicieron en la ópera Eurídice, compuesta por Jacopo Peri.⁵​³​

En cambio, según Liliana Panella, el primer testimonio fundado de la actividad como cantante de Francesca, junto con su hermana Settimia, en la corte de los Médici, es 1602: en su diario Cesare Tinghi señaló que el 3 de abril de 1602 la iglesia de San Nicolás en Pisa, donde la corte se movía todos los años durante la Cuaresma, la música policoral fue dirigida por «Giulio Romano [Giulio Caccini], con la esposa (la segunda esposa, Margherita) y las dos hijas cantando bien».⁸​

En sus primeros años de vida, Caccini actuó con sus padres, su medio hermano Pompeo, su hermana Settimia y posiblemente otros alumnos de Giulio sin nombre en un conjunto de sus contemporáneos conocido como Le donne di Giulio Romano. Más adelante, formó grupo con su hermana Settimia y el ejecutante romano Vittoria Archilei. En esta época recibió en ocasiones el nombre de La Cecchina. Después de que la corte la contratara, continuó actuando con el conjunto familiar hasta que el matrimonio de Settimia y el traslado resultante a Mantua causaron su ruptura. Francesca sirvió en la corte de los Médici como profesora, cantante de cámara, instructora de ensayos y compositora de música de cámara y de teatro hasta principios de 1627. En 1614 era la música mejor pagada de la corte, en gran parte porque su virtuosismo musical ejemplificaba muy bien una idea de excelencia femenina proyectada por la regente de facto de la Toscana, la gran duquesa Cristina de Lorena. En 1623 ganó 240 escudos.⁹​

En 1604, la familia Caccini al completo viajó a Francia. El rey Enrique IV quedó impresionado con sus actuaciones y le propuso que se quedaran en su corte. Sin embargo, los funcionarios florentinos se opusieron, y ella regresó a Italia, donde su fama siguió creciendo. Poco tiempo después, atrajo la atención de Claudio Monteverdi, impresionado por su canto, así como Pietro Della Valle, que alabó su habilidad en vocal y su poesía.¹⁰​ En 1607 contrajo matrimonio con un miembro del Camerata florentina, Giovanni Battista Signorini.