En 1604, Francesca entame avec sa famille une tournée qui la mènera à Modène, Milan, Turin, Lyon et Paris, où les accueillent le roi Henri IV et la reine Marie de Médicis. Ravi par la voix de la jeune femme, le Roi est catégorique : elle «chante mieux que quiconque en France». En 1610, c’est le grand Claudio Monteverdi qui, à son tour, fait l’éloge de la musicienne  : «À Florence, j'ai entendu la fille de Monsieur Giulio Caccini, qui a chanté admirablement et joué du luth, de la guitare et du clavecin».

Francesca Caccini demeura au service des Médicis une grande partie de sa vie. Elle composa pour eux de la musique de divertissement, notamment un opéra, La liberazione di Ruggiero, le premier à être publié par une femme. Elle fut aussi responsable d’une scuola qui chantait régulièrement à la cour. Elle survécut à ses deux maris : Giovanni Battista Signorini, également musicien, avec qui elle aura une fille, et Tomaso Raffaelli, riche collectionneur d’instruments de musique, qui lui laissera un garçon. Après la mort de son premier époux, Caccini réduisit ses activités professionnelles. Les circonstances entourant sa mort demeurent mystérieuses, mais on la situe aux alentours de 1540. Le tombeau sur lequel est gravé le nom de Francesca, sans date de décès, se trouve à Florence. Le monument indique qu’elle est enterrée aux côtés de son père et de sa sœur.

Et moi, qui n’ai jamais été un ami flatteur pour personne, chaque fois que je l’entends, je lui dis ces mots de notre poète : «Celle-là seule parmi nous est la sirène du ciel». — Lorenzo Parigi (1618)