Sa jeunesse se passe — dans le 9e arrondissement de Paris — auprès de sa mère (aide-comptable), restée célibataire, et de sa sœur, Michèle, d’un an sa cadette. Elle voit rarement son père (directeur d’une fabrique de machines à écrire et à calculer), qui est marié par ailleurs. Elle apprend le piano dés 5 ans, mais le trac qu’elle éprouve quand elle se produit sur la scène de la salle Gaveau coupe court à toutes autres leçons. C’est son goût pour la chanson et la découverte du Rock’n’roll, qui lui fait choisir une guitare, en récompense de sa réussite au baccalauréat, en juin 1960. Aidée d’une méthode sommaire, elle s’essaye à poser quelques accords sur des mots qui traduisent ses états d’âme et se met à rêver d’un métier ayant un rapport, de près ou de loin, avec le milieu musical. Après une première année d’études supérieures à la Sorbonne, une annonce dans le journal France-Soir retient toute son attention : une maison de disques souhaite auditionner de jeunes chanteurs. Françoise obtient un rendez-vous et passe un essai qui reste sans suite. Elle contacte d’autres sociétés parmi lesquelles : Vogue, qui a justement Hallyday dans son catalogue. Intéressé par son style, le responsable des auditions l’invite à se perfectionner et lui donne des cours de solfège. Elle entre ensuite au Petit conservatoire de Mireille. (Elle y restera deux ans.) Quelques mois après, à la mi-novembre 1961, le directeur artistique de Vogue lui signe un contrat. Le Petit conservatoire de la chanson est aussi une émission télévisée de l’ORTF et le 6 février 1962 « Mademoiselle Hardy » fait sa première apparition en public. L’enregistrement de son premier disque microsillon est bouclé Le 25 avril de l’année suivante. Il y a l’adaptation française d’une chanson américaine, sur laquelle mise la production, et trois de ses propres compositions. Le quarante cinq tours sort au mois de juin et les quatre titres ne tardent pas à être entendus dans les postes à transistors. Trois mois plus tard, 2000 exemplaires sont écoulés.

La chanteuse se révèle en noir et blanc, sur l’unique chaîne de TV, dans la soirée du 30 octobre 1962 — De nombreux téléspectateurs attendent les résultats du référendum sur l'élection du Président de la République au suffrage universel — Dans l’un des intermèdes musicaux, Françoise Hardy apparaît pour chanter Tous les garçons et les filles. Dès le lendemain et les jours suivants, le titre va se démarquer des trois autres sur les ondes radios et dans les juke-boxes et devenir un « tube » incontournable. À la fin de l’année, 500 000 exemplaires ont déjà été vendus. La presse s'empare du phénomène. Paris Match la met en couverture de son numéro du 5 janvier 1963 et la consacre nouvelle « idole » de la chanson. Ce succès, porté par la vague « yéyé », lui vient également de ses talents d’écriture et de composition, peu courants chez les nouveaux interprètes de ce début des sixties. Claude Lelouch, alors inconnu, la filme pour un des tout premiers Scopitone. Monaco la choisit pour défendre ses couleurs au Concours Eurovision de la chanson le 23 mars à Londres. Le cinéaste Roger Vadim la fait débuter au cinéma dans Château en Suède, d’après la pièce de théâtre de Françoise Sagan. Elle enregistre d’autres disques, enchaîne les galas et les tournées, puis fait ses premiers pas sur la scène de l'Olympia en novembre.

Fin 1963, Tous les garçons et les filles atteint le million de disques vendus et franchit les frontières. Traduite par Quelli della mia eta, la chanson connaît le même score de ventes en Italie. Ses chansons en anglais sont également bien accueillies Outre-Manche. Notamment Catch a Falling Star en 1964 et surtout All Over the World, adaptation d’une de ses compositions (Dans le monde entier), qui est classée en tête du Hit-parade en 1965. Cette même année, l’Allemagne la rend populaire au lendemain d’un show télévisé, avec le titre Frag' den Abendwind. En 1966 elle participe au 16e Festival de la chanson de Sanremo. Sa popularité atteint le Canada, le Danemark, l'Espagne, le Japon, les Pays-Bas… D’autres succès suivront : Le Temps de l'amour (mis en musique par Jacques Dutronc), Le Premier bonheur du jour, Mon amie la rose, L’Amitié, La Maison où j'ai grandi, Rendez-vous d'automne, Des ronds dans l'eau... Des chansons certes, mais l’image aussi : les minijupes, les boots blanches et le visage sous la frange des cheveux. Son compagnon Jean-Marie Périer, photographe de la revue Salut les copains, y contribue avec le concours de couturiers d’avant-garde comme Paco Rabanne, Yves Saint-Laurent et André Courrèges.

Jean-Marie Périer lui fait découvrir et aimer la Corse et lui suggère d’y faire construire une maison. Il la conseille dans ses choix et l’influence sur tout ce qui touche à son image et sa carrière. Il l’incite à continuer de faire du cinéma. L’année 1965 est en partie consacrée au septième art. Après une courte participation dans la dernière scène de What's New Pussycat de Clive Donner, la voilà en Grèce pour le tournage d’Une balle au cœur du jeune cinéaste Jean-Daniel Pollet. Octobre est le mois de son deuxième passage à l’Olympia. L’année suivante, après son tour de chant au cabaret de l’hôtel Savoy à Londres, le metteur en scène John Frankenheimer lui propose un rôle dans Grand Prix, une superproduction sur les courses automobiles. Le tournage dure cinq mois et l’emmène sur les circuits de Formule 1 : Monaco, Monza, Spa… Elle est invitée par la Metro Goldwyn Mayer avec la vedette française du film, Yves Montand, à se rendre à New York, pour la première projection publique, le 21 décembre 1966. À cette occasion, la Warner, en accord avec Vogue, diffuse ses disques sur le marché américain. Le lancement de The Yeh-Yeh Girl from Paris, la fait participer, entre autres apparitions télévisées, au Grace Kelly Show et les pages des magazines prennent le relais.

En 1967 elle crée sa propre maison de production, mais reste distribuée par Vogue. Le chanteur Jacques Dutronc est maintenant entré dans sa vie et leurs longues séparations lui sont éprouvantes. Les tournées se font à un rythme soutenu. Non seulement en France, mais aussi au Canada, au Moyen-Orient, dans les grandes universités britanniques et en Afrique. La chanteuse songe alors à ne plus se produire sur scène. Début mai 1968, elle se présente pour une troisième et dernière série de représentations au Savoy puis se rend à Kinshasa, au Congo, pour un ultime récital.

Son prochain album est en préparation. Serge Gainsbourg lui compose L'Anamour et s’atelle également à un instrumental américain, que Françoise a déniché chez un éditeur, et sur lequel il va déposer des rimes en « ex ». Comment te dire adieu est un des gros succès de l'année 1969. Ce retour au sommet du hit-parade redonne un coup de fouet à sa carrière en Europe et au Québec, où elle ne donne désormais que des prestations télévisées. L'abandon de la scène, mûrement réfléchi, est maintenant un état de fait. Quant au cinéma… faire l’actrice ne l’intéresse plus.

Son temps libre est mis à profit pour suivre des cours de psychologie puis elle se tourne vers l'astrologie traditionnelle. Son intérêt dans ce domaine est vite connu et elle reçoit rapidement des propositions de travail qu’elle accepte pour se perfectionner auprès d’astrologues confirmés. Côté musique, elle rompt avec les disques Vogue.

La distribution de sa production est confiée à Sonopresse en 1970. Pas un an ne passe sans sortir de disque : Soleil, La Question, Et si je m'en vais avant toi et, en 1972, un album de chansons en anglais : If You Listen.

Un contrat est signé en 1973 avec WEA. Françoise Hardy se met en quête de nouvelles mélodies auprès de compositeurs de talent tel Michel Berger. La chanson Message personnel lui permet de faire un retour remarqué et s'avère être une étape importante sur son parcours. Le 16 juin elle donne naissance à un garçon prénommé Thomas.

En 1974 l’astrologue Jean-Pierre Nicola lui demande de travailler avec lui. Elle fera désormais son chemin en experte et animera des émissions sur Radio Monte-Carlo pendant huit ans. Parallèlement, sont enregistrés : son unique album-concept, “Entr’acte” et trois 45 tours dont celui de la bande originale du film de Claude Lelouch, Si c'était à refaire dans lequel elle apparaît le temps de chanter, Une femme parmi les femmes.

En 1988, au bout de vingt six ans de carrière, elle prend la décision de s’arrêter. Décalages, sort en CD. Ce 22e opus est annoncé comme son dernier. Elle en a écrit tous les textes. Porté par le titre Partir quand même (sur une musique de Dutronc) il devient disque d’or en peu de semaines.

Sa résolution prise, elle tient cependant à garder un pied dans le milieu de la chanson. Elle s’investit dans l’écriture pour Julien Clerc (Fais-moi une place) , Patrick Juvet, Viktor Lazlo, Jean-Pierre Mader (En résumé, en conclusion) et Guesch Patti. Crée des versions nouvelles pour une compilation de ses chansons. Participe à des disques caritatifs ou collectifs et fait la promotion du premier album de son poulain, Alain Lubrano (1992). Répond aux sollicitations de Malcolm McLaren (1994) et de Damon Albarn du groupe Blur (1995). D’autre part, son activité d’astrologue est menée de front : cosigne quelques ouvrages, collabore à des revues spécialisées et tient durant cinq années une rubrique quotidienne sur la station de radio RFM.

Contre toute attente, grâce au soutien du chanteur Étienne Daho, un nouvel album paraît en avril 1996 sous le label de Virgin. Sur les mélodies rock d’Alain Lubrano et de Rodolphe Burger, Le Danger confirme que sa plus grande source d’inspiration a été et sera toujours la souffrance et la douleur des sentiments.

Le 4 octobre 1997, Julien Clerc fête ses cinquante ans au Palais des sports. Invite quelques grands noms de la chanson française et réussit à la faire chanter sur scène avec lui. L’an 2000 voit la sortie de Clair-obscur. Son fils Thomas l'accompagne à la guitare sur quelques morceaux de cet album composé de duos et de reprises. La chanson Puisque vous partez en voyage[15] chantée en duo avec Jacques Dutronc, contribue à le propulser disque d’or. Aussitôt après, l'astrologue se substitue à la chanteuse pour se mettre à la rédaction d’un exposé sur l’astrologie. Les Rythmes du Zodiaque est dans les librairies à la fin Mars 2003.

Quand l’artiste reprend le chemin des studios d’enregistrement, Thomas Dutronc fait à nouveau partie de l’aventure en tant que musicien et réalisateur de quelques titres. À l’automne 2004 le CD Tant de belles choses donne l’opportunité à Françoise de faire un come-back dans les pays voisins (plus particulièrement en Allemagne) et au Canada. Grâce à cet album, certifié disque d’or deux mois après sa sortie, elle est distinguée comme artiste interprète féminine de l'année aux Victoires de la musique le 5 mars 2005. Fin novembre 2006, sort un disque composé de duos avec la pianiste Hélène Grimaud, la chanteuse Maurane, les chanteurs Alain Bashung, Benjamin Biolay, Rodolphe Burger, Ben Christophers, Jacques Dutronc, Arthur H, Julio Iglesias, Henri Salvador, Alain Souchon et l’acteur Alain Delon.

Pour couronner une carrière d’auteure et d'interprète depuis plus de quarante ans, la chanteuse est reçue le 30 novembre 2006 sous la coupole de l’Institut de France pour lui remettre la Grande Médaille de la Chanson française, décernée par l'Académie française.