Ingresó en el Conservatorio de Madrid donde estudió con Pedro Albéniz (piano), Baltasar Saldoni (canto), Pedro Broca (clarinete) y Ramón Carnicer i Batlle (composición).
Participó en las polémicas sobre la «ópera nacional», tan en boga en la década de 1840, y finalmente se sumó a las iniciativas de teatro musical en castellano que desembocarían en el espectacular renacimiento de la zarzuela, fundando con Gaztambide, Ynzenga, Hernando y Oudrid la Sociedad Artística, que consolidó el género.
Entre los títulos sobresalen: Gloria y Peluca (1850), Jugar con fuego (1851), Todos son raptos (1851), El marqués de Caravaca (1853), Los diamantes de la corona (1854), El sargento Federico (junto con Gaztambide, 1855), Mis dos mujeres (1855), El diablo en el poder (1856), Un tesoro escondido (1861), Pan y toros (1864), El barberillo de Lavapiés (1874) y El señor Luis el tumbón (1891).
En 1884 puso música al himno Visca la pau, con texto del poeta catalán Apeles Mestres, y el motete Versa est Luctum.
A continuación se clasifican la mayoría de las zarzuelas estrenadas por Francisco Asenjo Barbieri:
Barbieri legó su colección bibliográfica a la Biblioteca Nacional de España.