Бартоломео Франческо Растрелли родился в Париже в 1700 году, имеет итальянское происхождение. Его отец – обрусевший скульптор Бартоломео Карло Растрелли, имевший также архитектурное образование.
Флорентиец Карло Растрелли работал при дворе Людовика XIV, а после его смерти в 1715 году вместе с семьёй был приглашён Петром I в Россию, где для важности стал именовать себя графом.
Первоначальное профессиональное образование Франческо получил под руководством своего отца, который привлекал его к достройке дворцов А. Д. Меншикова.
По некоторым данным, Франческо Растрелли несколько раз выезжал на обучение в Европу, предположительно в Италию и во Францию.
Одна из наиболее ранних известных работ Растрелли — каменный трёхэтажный дворец Дмитрия Кантемира вблизи Потешного поля в Петербурге. Эта постройка вписывалась в основное русло петровского барокко и мало отличалась от подобных сооружений.
Первые оригинальные творения Растрелли создал в Курляндии. Здесь в 1730-е годы для герцога Бирона он строит Рундальский дворец и дворец в Митаве.
По рекомендации Бирона становится обер-архитектором императрицы Анны Иоанновны, а затем и её преемницы Елизаветы.
В это время архитектор дважды ездил в Москву, где, видимо, ознакомился с традиционным русским зодчеством и значительно расширил свой архитектурный кругозор.
Соприкосновение с московской художественной средой сказалось на творчестве Растрелли в самых разнообразных направлениях: в стремлении к широте и многообразию архитектурного ансамбля, в чрезвычайном обогащении декоративных мотивов, в увлечении расцветкой стен и их пластической динамикой, в появлении внушенных древнерусским зодчеством новых мотивов (колоколен, глав, крылец, тонких колонок и т. п.). Видимо, он познакомился также и с архитектурой древнерусских трапезных.
Приёмы расчленения масс и разработки стен от проекта к проекту становятся всё пластичнее. Архитектор постепенно отказывается от использования рустовки, а пилястрам и тягам начинает предпочитать более рельефные полуколонны.
Архитектор Растрелли сумел сочетать европейское барокко с традициями русского зодчества (колокольни, главы, расцветка, позолота и т.д.).
Отличие европейского барокко от растреллиевского: все богатство форм европейцы демонстрировали только на главном фасаде.
Декоративный стиль, созданный для украшения интерьеров, Растрелли использовал в убранстве фасадов.
Период расцвета архитектора начался с постройки деревянного летнего дворца в Санкт-Петербурге для императрицы Елизаветы Петровны в 1741—1744 годах (дворец не сохранился).
По требованию императрицы мастер сопровождал сразу несколько поистине грандиозных строительных проектов.
С 1747 по 1752 год архитектор посвятил себя работе над Большим дворцом в Петергофе.
В 1747 году был создан эскиз Андреевского собора в Киеве.
На 1752—1757 гг. пришлась полная перестройка Екатерининского дворца в Царском Селе (ныне — город Пушкин).
Участие Растрелли в возведении построек вдали от столицы, а также по заказам частных лиц ограничивалось подготовкой общего проекта, в то время как реализацию курировали другие зодчие.
За убранство Большого дворца в Царском Селе, к примеру, отвечали, помимо Растрелли, А.В.Квасов и С.И.Чевакинский; по их же проектам под общим руководством Растрелли были возведены в окрестностях несколько «увеселительных домов» (Эрмитаж, Грот на берегу пруда, Катальная горка), а также миниатюрный Среднерогатский дворец.
В 50-е годы Растрелли курировал работы по ремонту дворца в Стрельне. Основным материалом служил курляндский крупногабаритный кирпич, который был использован Растрелли ещё при строительстве дворцов для Бирона.
После работ по ремонту Стрельнинского дворца архитектором была создана трёхчастная сквозная арка со стороны главного фасада Зимнего дворца, вероятно, под влиянием архитектурного решения Микетти (предтечей которого был Леблон).
Последние грандиозные замыслы Растрелли — это ансамбль Смольного монастыря (1748—57) и Зимний дворец с его знаменитой Иорданской лестницей (1754—62).
Вопреки сложившемуся мнению, ансамбль Смольного монастыря, куда на склоне лет планировала удалиться Елизавета Петровна, не предполагал наличия колоссальной колокольни, которую можно увидеть в сохранившемся макете. Именно благодаря этой модели Растрелли осознал градостроительную ошибку, решив сохранить собственно Смольный собор как высотную доминанту ансамбля. Архитектурно-конструктивные решения, на которых остановил свой выбор Растрелли, заметно отличаются от представленных в макете.
В 1758 году по проекту Растрелли началось строительство Гостиного двора, которое вскоре было приостановлено. Трудности заключались в неприятии проекта купцами, которые жаловались на дороговизну работ и архитектурные излишества.
После смерти Елизаветы стиль барокко вышел из моды, и поток заказов быстро иссяк.
Екатерина II благоволила Антонио Ринальди, который на протяжении ряда лет работал по заказам «молодого двора» и был осведомлён о новейших веяниях в европейской архитектуре.
Привыкший к роскоши Растрелли испытывает серьёзные финансовые трудности и в 1762 году просит об отпуске. 10 августа 1762 года императрица подписывает указ об увольнении обер-архитектора в отпуск на год для лечения в Италии.
Находясь в Италии, где Растрелли одновременно пытается найти нового заказчика, он узнаёт, что архитектор Валлен-Деламот переделывает внутренние покои Зимнего. 24 октября 1763 года по высочайшему указу архитектор был уволен «в рассуждении старости и слабого здоровья» с назначением ему пенсиона — тысяча рублей в год.
В начале августа 1764 года Растрелли с семьёй покинул Петербург. Он объявился в Курляндии, где возобновил строительство Руэнтальского и Митавского дворцов вернувшегося из ссылки Бирона. Искусствовед Борис Виппер считал последней работой Растрелли курляндскую усадьбу Грюнхоф, достроенную в стиле классицизма датчанином Йенсеном.
Следы дальнейшего пребывания Растрелли теряются где-то в Литве, и дата смерти и место захоронения его не известны.