Über Franziskas Kindheit und Jugend ist wenig bekannt. Sie wurde am 10. Januar 1748 auf dem elterlichen Rittergut Adelmannsfelden als Tochter des Freiherrn Ludwig Wilhelm von Bernerdin geboren und wuchs mit vier Schwestern in ländlicher Abgeschiedenheit auf. Ihre vor allem in späteren Jahren zunehmend schwärmerische Frömmigkeit geht auf die pietistische Prägung ihres Elternhauses zurück. Im Alter von 17 Jahren ging sie auf Zureden ihrer Eltern eine standesgemäße Ehe mit Friedrich Wilhelm Reinhard Freiherr Leutrum von Ertingen ein, die aber nicht zuletzt wegen Franziskas Unfruchtbarkeit einen unglücklichen Verlauf nahm. Während eines Kuraufenthalts in Wildbad 1769 wurde sie dem regierenden Herzog Karl Eugen vorgestellt. Etwa zur gleichen Zeit ernannte Karl Eugen Franziskas Mann zum Kammerherrn, wodurch sich engere Kontakte zum herzoglichen Hof ergaben.
Im Herbst 1771 war das Ehepaar Leutrum wiederholt bei Jagdgesellschaften des Herzogs zu Gast. Nachdem der von seiner Frau getrennt lebende Herzog seine bisherige Mätresse verabschiedet hatte und immer häufiger Franziska ohne ihren Mann an seiner Seite erschien, wurde die Liaison öffentlich. Auf Drängen seines Vaters quittierte Franziskas Mann seinen Kammerherrendienst und verließ den Hof. Am 13. Dezember 1771 kündigte sie ihm die Ehe schriftlich auf. Wohl kurz vorher, so lässt sich aus einem späteren Brief Karl Eugens schließen, hatte der Herzog Franziska versprochen, sie im Falle des Ablebens seiner Frau zu heiraten. Am 10. Januar 1772 überließ er ihr das Gut Hohenheim auf Widerruf. Im gleichen Jahr wurde sie auf Betreiben des Herzogs von ihrem Mann geschieden und am 21. Januar 1774 von Kaiser Joseph II. zur Gräfin von Hohenheim erhoben.
Das Wasserschlösschen Hohenheim, das Franziska und Karl Eugen seit 1772 als Sommersitz diente, ließ er ab 1782 durch einen repräsentativen Neubau mit einem weitläufigen und europaweit beachteten englischen Landschaftspark mit Nachbildungen antiker Tempel und Ruinen, einem künstlichen Bauerndörfchen (von Franziska stets „Dörfle“ genannt) sowie exotischen Pflanzen ersetzen; daneben entstanden Lustschlösser in Scharnhausen und Fasanenhof. Am 1. Juni 1779 legten Karl Eugen und Franziska gemeinsam den Grundstein zur Birkacher Kirche, wo Franziska ab 1780 regelmäßig den Gottesdienst besuchte. Die Stiftung der evangelischen Pfarrei Birkach durch den katholischen Herzog fand als Zeichen von Toleranz und Liberalität reichsweit Beachtung.
1780 starb Karl Eugens Gemahlin Elisabeth Friederike Sophie von Brandenburg-Bayreuth. Dennoch zögerte sich seine Heirat mit Franziska noch fünf Jahre hinaus. Die Hauptgründe waren neben der Weigerung des Papstes, der Ehe eines katholischen Reichsfürsten mit einer geschiedenen Protestantin zuzustimmen, Vorbehalte auf Seiten von Karl Eugens Angehörigen gegenüber der nicht standesgemäßen Gattin. Erst nachdem Karl Eugens Brüder dem Ehevertrag mit Versorgungsregelungen für Franziska zugestimmt und die um ihren politischen Einfluss fürchtenden württembergischen Landstände versprochen hatten, dem unter chronischem Geldmangel leidenden Herzog im Falle einer Heirat mit der machtpolitisch unbedeutenden Franziska jährlich 50.000 Gulden zu zahlen, schlossen Karl Eugen und Franziska am 11. Januar 1785 heimlich die Ehe. Erst am 2. Februar 1786 wurde die Heirat öffentlich bekannt gegeben. Trotz ihrer Unebenbürtigkeit erhob Karl Eugen Franziska in den Rang der regierenden Herzogin. Der Papst fand sich erst 1791 mit der Eheschließung ab. Nach dem Tod Karl Eugens am 24. Oktober 1793 wurde Franziska Schloss Kirchheim als Witwensitz eingerichtet, den sie 1795 beziehen konnte. Sie bevorzugte aber ihr Rittergut Sindlingen, wo sie die Sommermonate zubrachte. Von der herzoglichen Familie ignoriert, gab sie sich mit ihrer eigenen, durchaus standesgemäßen Hofhaltung zufrieden und vertiefte ihre religiösen Neigungen. Am 1. Januar 1811 starb sie an einem Krebsleiden auf Schloss Kirchheim. Ihre letzte Ruhestätte fand sie in der Gruft der dortigen Kirche.
An Franziskas Seite ging Karl Eugen intensiver seinen aufklärerischen und philosophischen Interessen nach und legte in seinem Regierungshandeln mehr Beständigkeit an den Tag. Seine Beziehung zur lernwilligen und gefügigen Franziska, die in allen Lebensbereichen auf ihn angewiesen war, und mit der ihn eine Art Geistesverwandtschaft verband, hat dazu unzweifelhaft ihren Teil beigetragen. Während er sich intensiv um seine 1781 zur Universität erhobene Hohe Karlsschule kümmerte, übertrug er Franziska das Protektorat über die 1772 gegründete höhere Töchterschule, der École des Demoiselles. Karl Eugens allmähliche Interessenverschiebung hatte sich aber nach einer Reihe politischer Fehlschläge sowie durch den allgemeinen Wandel des Zeitgeists schon vorher abgezeichnet. Dennoch sah er auch an Franziskas Seite von weiterem Schuldenmachen, Soldatenhandel und absolutistischen Ausbrüchen wie etwa der Verhaftung seines schärfsten Kritikers, des Publizisten Christian Friedrich Daniel Schubart, nicht ab. Nach zehn Jahren Kerkerhaft eröffnete ihm Franziska persönlich seine Freilassung.
Überhaupt milderte Franziska weniger den Charakter des Herzogs, als vielmehr die Wirkung seines harschen Gebarens, indem sie den Betroffenen durch warmherzige Worte und kleine Geschenke ihre Anteilnahme zeigte und so die erlittene Härte dämpfte. Die zeitgenössischen Aussagen aus ihrem Umfeld stimmen darin überein, dass sie im persönlichen Gespräch stets eine besondere Nähe und Verbindlichkeit ausstrahlte. Mit mehr Distanz vom Hof wurde aber auch wahrgenommen, dass Franziska von ihrer grundsätzlich anrüchigen Stellung als Mätresse materiell enorm profitierte: Neben reichen Juwelengeschenken übertrug ihr der Herzog Häuser in Stuttgart und Ludwigsburg sowie die Einnahmen des Büsnauer Hofs. Der damaligen Mode entsprechend führten Karl Eugen und Franziska in der künstlichen Natur Hohenheims ein idealisiertes Landleben mit allem erdenklichen Luxus. Möglichen Kritikern versuchte Karl Eugen den Wind aus den Segeln zu nehmen, indem er seine Favoritin zu verschiedenen Anlässen öffentlichkeitswirksam als personifizierte Tugend verklären ließ.
Franziska unterscheidet von den meisten Frauen in ihrer Position, dass sie aufrichtig unter der Unschicklichkeit ihres Verhältnisses zum verheirateten Herzog litt. Zusätzlich traf sie als fromme Protestantin der Ausschluss Geschiedener vom Abendmahl besonders hart. In ihrem Tagebuch legte sie Zeugnis ihres starken Glaubens und ihrer Selbstzweifel ab; Erbauung suchte sie im Gespräch und im Briefwechsel mit den führenden pietistischen Theologen ihrer Zeit wie Philipp Matthäus Hahn, Johann Kaspar Lavater und August Hermann Niemeyer. Regelmäßig lud sie Pfarrer und Pfarrfrauen an ihre Tafel ein und gründete 1786 eine Stiftung für drei der am geringsten dotierten Pfarrstellen des Landes zur Anschaffung theologischer Literatur. In der naiven Überzeugung, dass die Frommen auch gute Menschen sein müssen – so formulierte es ihr engster Vertrauter Freiherr von Böhnen –, gewährte sie in der Tradition ihrer Vorfahren religiösen Dissidenten wie Johann Michael Hahn, dem Stifter der Michael Hahn’schen Gemeinschaft, Zuflucht auf ihrem Rittergut Sindlingen und installierte einen kompromisslosen Pietisten als Pfarrer in ihrer 1790/91 erworbenen Ritterherrschaft Bächingen an der Brenz.
Während Franziska in Württemberg lediglich die Frau an der Seite des Regenten war, übte sie auf ihren Rittergütern selbst die souveräne Landesherrschaft aus. Hier galt es, den Spagat zwischen landesherrlichem Regiment und landesmütterlicher Fürsorge zu schaffen und die herzogliche Gnade und Freigiebigkeit wohl abzumessen. Die Rolle als Landesherrin, die auch befehlen und strafen musste, lag ihr nicht; ebenso wenig vertrug sich eine Herrschaftspraxis herzoglichen Anspruchs mit der sozialen Enge eines reichsritterschaftlichen Gemeinwesens. Ihre unbedachten Eingriffe in das örtliche Gewohnheitsrecht, ihre einseitige Parteinahme für den polarisierenden Pfarrer und eine unkluge Personalpolitik führten in Bächingen gar zu offenem Protest. Unbestritten sind ihre Verdienste um die Hebung der Schulbildung und der Armenversorgung sowie der teilweise Erfolg ihrer Bemühungen um die Steigerung der örtlichen Ökonomie. Auch in den rasch wachsenden Dörfern um Hohenheim herum kaufte sie zur Verbesserung der Nahrungsgrundlage Allmenden, teilte sie unter Bedürftigen auf und lobte Preise für den erfolgreichsten Bewirtschafter aus.
Aus der württembergischen Erinnerungskultur ist das heiligengleiche Bild Franziskas als „guter Engel Württembergs“, der durch Liebe, Sanftmut, Volksnähe und bodenständige Natürlichkeit den nach Neigung und Willkür regierenden Karl Eugen zum treusorgenden Landesvater zu wandeln vermochte, nicht mehr wegzudenken. Mit der historischen Realität hat diese verklärte Darstellung aber nur sehr bedingt zu tun. Sie geht im Wesentlichen auf ihre zu Lebzeiten von Karl Eugen forcierte Stilisierung, tendenziöse Hofberichterstattung sowie die Memoiren von zeitgenössischen Eliten zurück. In der Zeit des Vormärz wurde das Bild Karl Eugens als tyrannischer Gegenspieler Schillers und Franziskas als weiblich-gefühlvoller Gegenpol noch stärker schwarz-weiß gezeichnet. Hieran knüpften um die Mitte des 19. Jahrhunderts Ottilie Wildermuth und Emma Vely an, die im wohlgefälligen Stil des bürgerlichen Realismus Franziska zur Integrationsfigur der gesellschaftlichen Wertvorstellungen ihrer Zeit ausformulierten. Diese feminin geprägte literarische Fiktion ist bis in die Gegenwart bestimmend. Damals wie heute dient Franziska als Projektionsfläche entsprechender Idealvorstellungen: Wurden ihr im 19. Jahrhundert Tugenden wie Häuslichkeit, Bescheidenheit und Fügsamkeit zugeschrieben, so wird sie heute als Kronzeugin für Werte wie Selbstbestimmung, emotionale Intelligenz und das Ausbrechen aus gesellschaftlichen Regeln bemüht. Auch in kirchlichen Kreisen wird der einstigen Mätresse ein makelloses Andenken bewahrt; 1985 erhielt die Birkacher Kirche ihr zu Ehren den Namen „Franziska-Kirche“. Die Erkenntnis, dass die historische Persönlichkeit durch eine differenziertere Sichtweise nicht an Reiz verliert, sondern an Authentizität gewinnt und mit all ihren Stärken, Schwächen und Widersprüchen erst Farbe annimmt, beginnt sich gerade erst durchzusetzen.