Primero se casó con Amy Richenda Ruck en 1874, pero ella murió en 1876 cuatro días después del nacimiento de su hijo Bernard Darwin, quien más tarde se convertiría en un escritor de golf.
Su tercera esposa fue Florence Henrietta Fisher, hija de Herbert William Fisher y viuda de Frederic William Maitland, con quien se casó en 1913, año en el que fue nombrado caballero.
[cita requerida] Francis Darwin trabajó con su padre en experimentos relacionados con los movimientos de las plantas, específicamente el fototropismo, y fueron coautores de The Power of Movement in Plants (1880).
Estas observaciones conducirían más tarde al descubrimiento de la auxina.
También recibió doctorados honorarios de Dublín, Liverpool, Sheffield, Bruselas, St Andrews, Upsala y Praga.