Francis kam schon früh mit der Welt des Showbusiness in Kontakt. Schon im Alter von sechs Jahren war sie Fotomodell und wirkte in Radioseifenopern mit. Im Alter von elf Jahren stand sie an der Seite von Gertrude Lawrence in dem bekannten Stück Lady in the Dark am Broadway auf der Theaterbühne. Nach dem Zweiten Weltkrieg nahm MGM sie unter Vertrag. Ihr Filmdebüt gab sie 1947 in Bezaubernde Lippen.
In der Folgezeit spielte sie in mehreren Filmen mit, konnte aber keinen Durchbruch in Hollywood verzeichnen. Daraufhin ging sie zurück nach New York und spielte danach einige Rollen im Fernsehen und in Low-Budget-Filmen, wo sie dem einflussreichen Produzenten Darryl F. Zanuck als junge Verbrecherin im Film So jung und so verdorben auffiel. Er gab ihr einen Vertrag bei 20th Century Fox. In der Folgezeit spielte sie sich in die erste Riege der Hollywoodstarlets.
Francis spielte zwar noch regelmäßig in Kinofilmen, war aber ab den 1960er-Jahren vor allem im Fernsehen zu sehen, etwa in Serien wie Privatdetektivin Honey West (1965/66), in der sie die Hauptrolle innehatte und für die sie 1966 einen Golden Globe Award erhielt. Nachdem ihre Rolle in Funny Girl 1968 fast völlig der Schere zum Opfer gefallen war und die folgenden Filme Jerry, der Herzpatient (1969, mit Jerry Lewis) und Sexualprotz wider Willen (1969, mit Don Knotts) von minderem Niveau und völlige Flops waren, zog sie sich bis auf wenige Ausnahmen nahezu völlig von der Leinwand zurück und beschränkte sich in der Folgezeit auf ihre Fernseharbeit. In den 1990er- und 2000er-Jahren wurde sie immer mehr zu einem gern gesehenen Gesicht in kleineren Nebenrollen in Fernsehserien wie der Drew Carey Show.