Nació en Santiago el 9 de enero de 1823. Sus padres fueron Rafael Bilbao Beyner y la dama argentina Mercedes Barquín Velasco.
En 1834 la familia fue exiliada a causa de que el padre era un activo opositor al ministro Portales. Vivieron en Perú y, en 1839, pudieron regresar. A partir de entonces, Francisco Bilbao comienza a estudiar en el Instituto Nacional siguiendo estudios de Derecho, los que no completó, ya que –siendo estudiante– publicó un artículo anárquico y anticlerical titulado "La sociabilidad chilena", que generó gran escándalo y que lo llevó a enfrentar un juicio público por blasfemia además de pagar una multa. La controversia, en cierta forma, lo dejó estigmatizado socialmente por lo que decidió salir del país para instalarse un tiempo en París. Allí, se inició en las ideas liberales de Lamennais, Quinet, Michelet y otros intelectuales que le imprimieron mayor fuerza y convicción a su temperamento revolucionario.
En 1849 regresó a Chile, y organizó junto a su amigo Santiago Arcos Arlegui la Sociedad de la Igualdad. Una asociación fraternal de inspiración masónica en torno a la cual se unieron tanto los artesanos como los intelectuales radicales. Estos crearon el periódico El Amigo del Pueblo a través del cual difundieron su pensamiento político opositor al gobierno de Manuel Montt Torres, a la burguesía y a la Iglesia. Al tiempo, vino la llamada Revolución de 1851 en la que Bilbao tuvo participación, y por la cual fue encarcelado y, luego, nuevamente fue exiliado a Perú. En ese país, publicó el ensayo La revolución en Chile e incursionó en política uniéndose a un levantamiento liberal liderado por el general Ramón Castilla y Marquesado, quien resultó triunfante en la guerra civil. Pero Bilbao, desconforme con el nuevo gobierno al cual había apoyado, se declaró opositor y por tal razón fue expulsado del Perú, embarcándose a Europa. En Francia afirmó su idea americanista en relación a la necesidad de unir a las naciones americanas para hacer frente a la amenaza imperialista, y con tal convicción, en 1857, viajó a Buenos Aires, donde se unió a la causa de los federalistas, encabezada por Justo José de Urquiza García, quien llegó al poder y olvidó los ideales federales por los que había luchado, dejando que la oligarquía bonaerense recuperara la hegemonía política.
En Buenos Aires, en el año 1857 fue iniciado masón en la logia Unión del Plata N° 1 del Oriente de Buenos Aires.
En 1864, publicó El evangelio americano, en el que reflexionó acerca de la lucha por la libertad, igualdad y justicia en América Latina, y sus obstáculos.
Murió de pulmonía, el 19 de febrero de 1865, a causa de una enfermedad que contrajo tras arrojarse a las aguas del río de la Plata para salvar a una anciana que se ahogaba. Bilbao solo tenía 42 años, y aunque su vida conoció de fracasos y frustraciones políticas, de penurias materiales y angustias existenciales, como pareciera ser el sino de todos los románticos de su época, logró traspasar su tiempo y hacer que su nombre se convirtiera en emblema de los valores por los cuales luchó, la libertad, la igualdad y la fraternidad. Hoy, tanto en Chile como en Argentina, su nombre se encuentra identificando calles y logias masónicas