Francesca Annis débute dans les années 1960 au théâtre, et joue notamment au sein de la Royal Shakespeare Company à Stratford-upon-Avon. Son répertoire comprend des pièces de William Shakespeare, Henrik Ibsen et Tennessee Williams, entre autres, interprétées surtout à Londres. Elle se produit également à Broadway (New York) en 1969 et 1995, dans Hamlet de Shakespeare, la première fois dans le rôle d'Ophélie (aux côtés de Nicol Williamson dans le rôle-titre), la seconde fois dans celui de la reine Gertrude (avec Ralph Fiennes -- son compagnon de 1995 à 2006 -- personnifiant Hamlet). En outre, elle collabore à deux comédies musicales, Passion Flower Hotel (en) en 1965, sur une musique de John Barry (avec Jane Birkin), et La Comédie des erreurs (comédie musicale) (en) en 1976, d'après la pièce éponyme de Shakespeare (avec Judi Dench).
Au cinéma, à ce jour, elle apparaît dans vingt-huit films (britanniques pour la plupart, plus quelques films américains ou co-productions). Ainsi, en 1971, elle est Lady Macbeth dans l'adaptation, réalisée par Roman Polanski, de Macbeth de Shakespeare. Et en 1984, elle interprète Jessica Atréides dans le film
Dune de David Lynch, d'après le roman éponyme de Frank Herbert.
Enfin, à la télévision (toujours à ce jour), Francesca Annis contribue à seize téléfilms et à quarante-sept séries (britanniques et américaines), entre 1960 et 2009. Mentionnons la série britannique Le crime est notre affaire, diffusée en 1983-1984, où elle joue au long des dix épisodes (saison unique) le rôle de la détective Tuppence Beresford, personnage issu d'un recueil de nouvelles (du même titre) d'Agatha Christie.