Nel 1763Anton Raphael Mengs lo chiamò a Madrid per farlo collaborare alla decorazione del Palazzo Reale. Grazie alla protezione di Mengs, divenne uno degli artisti più influenti della capitale e, nel 1767, fu nominato pittore della corte di re Carlo III di Spagna.
Assieme al fratello Ramón e sotto la direzione di Mengs, realizzò cartoni per arazzi per la Fabbrica Reale di Tapices.
Fu uno dei primi protettori del giovane Goya, introducendolo a corte: Goya divenne suo cognato sposando la sorella di Francisco, Josefa Bayeu, nel 1773.
Nel 1788 fu nominato direttore dell'Academia de Bellas Artes. Negli ultimi anni si dedicò in modo particolare ai ritratti.
Opere
San Tommaso d'Aquino trionfa sugli eretici (c. 1760), Museo di SaragozzaEl Olimpo: batalla con los gigantes, 1764
La maggior parte dei suoi soggetti fu di carattere religioso o storico. Influenzato inizialmente dall'arte baroccaitaliana, in seguito Bayeu, sotto l'influsso di Mengs, si orientò decisamente verso i dettami neoclassici.
Pittura religiosa:
Quadri per il convento di San Pascual (Aranjuez), 1769
Palazzo del Pardo: Allegoria della Monarchia Spagnola, sul soffitto del Salone degli ambasciatori (1774), volta della sala da pranzo del casino del principe (1788)
