Франческо Бартоломео Растрелли родился в Париже в 1700 году. Его отец — придворный скульптор и архитектор Карло Бартоломео Растрелли — с ранних лет обучал сына мастерству.
В 1716 году, после смерти короля Франции Людовика XIV, семья Растрелли переехала в Санкт-Петербург. Глава семьи поступил на службу ко двору Петра I и в строящемся городе на Неве отливал пушки и скульптуры для интерьеров. Франческо помогал отцу проектировать дворцы и продолжал учиться — ездил в Италию, Германию, Францию.
Спустя четыре года Растрелли начал первый самостоятельный проект — дворец на Миллионной улице для молдавского государственного деятеля Дмитрия Кантемира. Внешний облик дворца был выдержан в стиле барокко, модном в те годы в Европе. Растрелли распланировал здание так, что вдоль набережной располагались залы для приемов, а с другой стороны находились комнаты отдыха. На первом этаже расположился просторный вестибюль, над ним — высокий парадный зал с лепниной и резными каминами, которые изготовил Растрелли-отец. Дворец достраивали уже после смерти Петра I во время правления Екатерины I.
После удачного дебютного проекта к Растрелли стали обращаться с заказами представители русской знати. В 1730 году архитектор построил дворец для князя Ивана Долгорукого.
В 1730 году на престол взошла Анна Иоанновна. В моде по-прежнему оставался стиль барокко, и Растрелли получал всё новые заказы. В этом же году он построил для императрицы деревянные Зимний и Летний дворцы в Москве, Манеж между Невским проспектом и Большой Морской улицей в Санкт-Петербурге. А чуть позже взялся за Рундальский замок фаворита Эрнста Иоганна Бирона в Курляндии (область современной Латвии).
Растрелли не только спроектировал курляндский дворец и регулярный парк перед ним, но и сам курировал строительство: заключал договоры с поставщиками рабочей силы и материалов.
Приход к власти Екатерины II в 1762 году совпал с закатом стиля барокко в архитектуре. К тому же императрица не одобряла чрезмерные траты на позолоченный декор и другие излишества. Растрелли остался без заказов. Когда архитектор был в отпуске в Италии, Екатерина II поручила профессору Петербургской академии художеств Жан-Батисту-Мишелю Валлену-Деламоту переделать внутренние покои Зимнего дворца. Узнав об этом, Растрелли вернулся в Петербург и подал в отставку.
Вскоре из ссылки вернулся Эрнст Бирон и нанял архитектора, чтобы достроить Рундальский и Митавский замки в Курляндии. Но и здесь Растрелли не задержался: сын Бирона заменил его молодым датским архитектором. В 1766 году Растрелли отправился в Берлин и попытался попасть на прием к прусскому королю Фридриху II, ценителю барокко и рококо. Однако король его не принял, посоветовал сделать гравюры по эскизам и организовать выставку. В январе 1771 года, за три месяца до смерти архитектора, академики Императорской Академии художеств решили принять Растрелли «в число наиболее именитых членов Императорской Академии художеств в качестве почетного вольного общника».
Когда и где умер мастер русского барокко — неизвестно. Датой смерти принято считать 29 апреля 1771 года, когда Екатерина II своим указом распорядилась выплатить пенсию Растрелли его наследнику — Франческо Бартолиати.