Figlio cadetto (Mantova 1587 - ivi 1626) del duca Vincenzo I, fu avviato alla carriera ecclesiastica e nel 1607 divenne cardinale. Divenuto duca (22 dic. 1612) per la morte del fratello Francesco IV, e deposto poi lo stato ecclesiastico (1615), sposò Camilla Faà di Bruno (1616) e in seconde nozze Caterina de' Medici (1617); ma non avendo da questa avuto figli, fu tormentato dal problema dell'estinzione della dinastia e della successione nello stato, cui aspirava Carlo Emanuele I, che dal 1613 al 1618 occupò militarmente il Monferrato. Poco prima di morire, F. chiamò a Mantova (1625) Carlo di Rethel, insediando così nello stato il ramo dei Gonzaga-Nevers, ma dando anche occasione, dopo la morte del fratello Vincenzo II (1627), alla guerra di successione di Mantova e Monferrato.