Franziska Hartmann wurde 1984 in Starnberg geboren und wuchs in München auf. Von 2004 bis 2008 studierte sie Schauspiel an der Hochschule für Musik und Theater 'Felix Mendelssohn Bartholdy' in Leipzig. Bereits während dieser Zeit spielte sie vereinzelt kleine Fernsehrollen und stand in diversen Inszenierungen unter anderem am Theater Chemnitz auf der Bühne. Nach ihrem Abschluss hatte sie ein Engagement am Theater Bonn; 2009 wurde sie ins Ensemble des Thalia Theaters in Hamburg berufen. Dort sah man sie unter anderem in "Caligula", "Woyzeck", "Das achte Leben", "Tonight: Fraktus", "Wut", "Panikherz" und als 'Seeräuber-Jenny' in Brechts "Dreigroschenoper".

Neben der Bühnenarbeit wirkte Hartmann ab 2014 regelmäßig auch in Fernsehproduktionen mit. Nach einer Nebenrolle in Stefan Krohmers Fernsehspiel "Die Zeit mit Euch" (2014) erregte sie viel Aufmerksamkeit mit ihrer Hauptrolle als seelisch labile Frau in Jan Bonnys "Über Barbarossaplatz" (2016, TV). Für diese Leistung wurde sie zusammen mit ihren Co-Stars Bibiana Beglau und Joachim Król beim FernsehfilmFestival Baden-Baden mit dem Darstellerpreis ausgezeichnet.

Anschließend spielte sie ebenfalls unter Bonnys Regie eine zentrale Rolle als Ehefrau eines Mörders in der hochgelobten "Tatort"-Folge "Borowski und das Fest des Nordens" (2016). Auch bei Bonnys experimenteller Kurzfilm-Sammlung "Rheingold" (2016), seinem Kurz-Spielfilm "Es ist egal, aber" (2017) und seinem Rechtsterrorismus-Drama "Wintermärchen" (2018) gehörte Hartmann in größeren und kleineren Rollen zu den Ensembles.

Außerdem sah man sie in der Titelrolle der "Helen Dorn"-Folge "Nachtschwester Nina" (2016) sowie in Episodenrollen von "Der Alte" (2018) und "Tannbach" (2018).

Zur Spielzeit 2018/19 verließ Franziska Hartmann das Ensemble des Thalia Theaters (dem sie als Gast erhalten bleibt) und begann als freie Schauspielerin zu arbeiten. Im Herbst 2019 feierten beim Filmfest Hamburg gleich zwei Filme mit Franziska Hartmann Premiere: Stefan Krohmers "Eine fremde Tochter" (2019, TV), mit Hartmann als Tante der jungen Titelfigur, und Lars Beckers "Wahrheit oder Lüge" (2019, TV), in dem sie ein mutmaßliches Vergewaltigungsopfer verkörperte. Wenig später startete das Sozialdrama "Sterne über uns" (2019) in den Kinos, über eine allein erziehende Mutter (Hartmann) und Flugbegleiterin, die trotz Obdachlosigkeit ein "normales" Leben mit ihrem neunjährigen Sohn zu führen versucht.

Für ihre Leistung in dieser Rolle erhielt sie von der Deutschen Akademie für Fernsehen den Preis als Beste Hauptdarstellerin und wurde für den Deutschen Schauspielpreis nominiert. 

Fernseh-Hauptrollen hatte sie unter anderem als investigative Journalistin in der "Tatort"-Folge "Tödliche Flut" (2020), als Hamburger Kommissarin in zwei Episoden der Krimireihe "Helen Dorn" (2021) und als von Schuldgefühlen gequälte Kita-Erzieherin in dem Drama "Kalt" (2022). Ab 2022 erhielt Hartmann mit "Katharina Tempel" eine eigene Krimireihe, ein Art Spin-Off über jene Kommissarin, die sie in den beiden "Helen Dorn"-Krimis gespielt hatte. Auf der anderen Seite des Gesetzes stand Hartmann als Entführerin in der "Polizeiruf 110"-Folge "Du gehörst mir" (2023).  

Auch in dem Kinofilm "Monster im Kopf" (2023), erneut unter der Regie von Christina Ebelt ("Sterne über uns"), verkörperte Hartmann eine Delinquentin: eine schwangere Gefängnisinsassin, die entgegen allen Bedenken selbst für ihr Baby sorgen möchte. Der Film wurde im Juni 2023 beim Münchner Filmfest uraufgeführt uns startete im November 2023 in den Kinos.