Nato a Montevarchi da famiglia agiata, ebbe un primo apprendistato nell’arte a Firenze, probabilmente presso la bottega di Santi di Tito e certamente a contatto con l’intenso clima artistico animato da Benvenuto Cellini, Bartolomeo Ammanati e Giambologna.

Rivelandosi presto scultore, le prime notizie circa la sua attività lo vedono a Roma nel 1603, sotto la protezione di Mario Farnese, duca di Latera: sarà lui a patrocinare in quegli anni l’ingaggio del promettente artista presso l’Opera del Duomo di Orvieto, esercitando l’autorità e il prestigio del suo rango non solo in questa occasione a favore del giovane, tanto da far sospettare che fosse suo figlio naturale.

A Roma intanto Mochi entra nella bottega dello scultore vicentino Camillo Mariani e in contatto con l’ambiente artistico veneto e sopratutto lombardo che, con Ippolito Buzzi e Stefano Maderno, si orientava su istanze classiciste ed arcaizzanti. Qui rivela ben presto le sue capacità valorizzando la sua formazione toscana, sui modelli manieristi, attraverso la nuova sensibilità “del naturale” che si diffondeva anche nella capitale con le opere di Caravaggio. Grande il debutto nel 1605 con l’Angelo annunciante per i committenti orvietani, cui seguiranno a breve giro l’Annunciata e l’Apostolo Filippo (1609-1610), che ebbero accoglienza più critica. A Roma per la cappella Barberini in S. Andrea della Valle realizza la S. Marta (1612, posta in opera nel 1621) mentre a Piacenza fu Mario Farnese a procurargli la commissione dei monumenti equestri in bronzo dei suoi potenti cugini, il duca Ranuccio ed il duca Alessandro Farnese (1612-1629).

Nel 1629, rientrato a Roma ebbe da Papa Urbano VIII incarico di realizzare una grande statua du Santa VEronica oer la crociera della Basiloica di S. Pietro, sotto la direzione del giovane emergente Gianlorenzo Bernini che, secondo le cronache, non apprezzava né facilitava l’operato di Mochi: l’opra sarà compiuta e collocata dieci anni dopo, portandoma termine nel frattempo altre importanti opere per i Barberini, famiglia del pontefice. Nel 1631 l’Opera del Duomo torna a commissionargli una nuova statua per l’Apostolato: sarà il S. Taddeo, che solo nel 1644 arriverà a Orvieto. Negli stessi anni l’artista riceve incarico dai Padri Benedettini di San Paolo fuori le Mura di scolpire per l’altar maggiore due statue di marmo raffigurante i Santi Pietro e Paolo: completate nel 1652, furono rifiutate dai committenti insoddisfatti e rimasero nella sua abitazione, fino a quando furono collocate su Porta del Popolo. Allo stesso modo del gruppo marmoreo del Battesimo di Cristo: ordinato nel 1634 da Orazio Falconieri per la cappella di famiglia in San Giovanni dei Fiorentini. Nel 1633 Francesco Mochi fu eletto Principe dell’Accademia di San Luca: ne sarebbe uscito dimissionario dieci anni dopo a causa della scorretta concorrenza del collega ed amico Alessandro Algardi che gli sottrasse importanti commissioni. Nel 1641 Mochi valuta di trasferirsi in Francia su invito del re Luigi XIII ma rimane a vivere a Roma, realizzando per committenti francesi la statua marmorea del Cardinale Richelieu, oggi al Musée du Pilori di Niort. Non ebbe fortuna nemmeno la commissione delle due statue raffiguranti San Matteo e San Marco per la Basilica di San Giovanni in Laterano, e non vennero mai realizzate. Francesco Mochi morì a Roma il 6 febbraio 1654.