Appartenente ad una famiglia di artisti, Troy nacque a Tolosa, nel sud della Francia, figlio del pittore Nicolas de Troy, fratello di Jean de Troy e padre di Jean-François de Troy (1679-1752) che fu anche suo allievo.
Poco dopo il 1662 si trasferì a Parigi per studiare da ritrattista sotto la guida di Claude Lefèbvre (1633-1675) e di Nicolas-Pierre Loir (1624-1679).
Nel 1669 François sposò Jeanne Cotelle, cognata del suo maestro Nicolas-Pierre Loir.
Nel 1671, poi, divenne socio procuratore dell'Accademia reale di Pittura e Scultura che, tre anni dopo, lo accolse come membro effettivo in qualità di pittore storico, grazie anche alla sua tela dal titolo: "Mercurio che decapita Argo".
I suoi primi lavori comprendono molte tappezzerie e arazzi per Madame de Montespan, una delle principali amanti del re Luigi XIV, nonché tele a soggetto mitologico e religioso. Nel 1670 divenne amico di Roger de Piles, pittore, incisore, critico d'arte e diplomatico, che lo introdusse alla pittura olandese e fiamminga. Ma, dopo la morte di Claude Lefèbvre avvenuta nel 1675, Troy cambiò decisamente genere, per dedicarsi interamente ai ritratti. In questa veste egli ereditò la clientela e le commissioni di Lefèbvre, tanto che nel 1679 gli venne commissionato il ritratto dell'ambasciatore svedese Nils Bielke e nel 1680 quello di Maria Anna Vittoria di Baviera Delfina di Francia (1660-[1690), poco dopo il suo matrimonio con Luigi, Delfino di Francia ed erede al trono, e quindi, a seguire, i ritratti di molte altre personalità altolocate, fra le quali Luigi Augusto di Borbone e sua moglie Anna Luisa Benedetta di Borbone-Condé. Poté così lavorare con continuità negli ambienti di corte per ben quindici anni.
Negli anni dal 1698 al 1701, periodo di pace fra Francia e Gran Bretagna, poté ritrarre James Francis Edward Stuart e sua sorella, la principessa Luisa Maria Teresa Stuart.
Troy era molto apprezzato per la sua abilità nel cogliere le espressioni più caratteristiche dei soggetti e, soprattutto, nel rendere più attraenti i volti femminili. Essendo l'unico pittore alla corte di Giacomo II, dovette farsi aiutare dal suo allievo Alexis Belle per realizzare tutti i ritratti che gli venivano commissionati.
Nel 1698 fu nominato professore all'Accademia reale e nel 1708 ne divenne il Direttore.
Troy fu anche un eccellente incisore. Fra le sue opere di questo genere vi è il disegno delle esequie di Maria Teresa d'Asburgo, moglie di Luigi XIV. Furono suoi allievi André Bouys e John Closterman.
François de Troy morì a Parigi nel 1730, all'età di 85 anni.
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