Ha raggiunto la notorietà nel 2011 in seguito alla vittoria della quinta edizione del talent show X Factor. Durante la sua carriera ha vinto quattro Music Awards, oltre a essersi classificata seconda al Festival di Sanremo nelle edizioni del 2016 e del 2021 e ad aver rappresentato l'Italia all'Eurovision Song Contest nell'edizione del 2016, in cui si è classificata al sedicesimo posto.
Biografia 2011-2012: primi anni e vittoria a X Factor Cresciuta nel vicentino insieme al fratello Filippo, bassista e giornalista sportivo, è la secondogenita di Vanna Moro, ragioniera, e Tiziano Michielin, artigiano in una piccola impresa locale. Ha cominciato a cantare nel coro della parrocchia di Sant'Eusebio del paese natale e nel coro multietnico del centro missionario dei Padri Scalabriniani sempre a Bassano del Grappa. A dodici anni suonava il basso in un gruppo studentesco e cantava in un coro gospel locale.
Nel 2011 ha deciso di iscriversi ai casting della quinta edizione del talent show X Factor, condotto da Alessandro Cattelan, dove è entrata a far parte della categoria Under donne (16-24) capitanata da Simona Ventura. Il 5 gennaio 2012 è stata proclamata vincitrice del talent.
Il 6 gennaio 2012, poco più di un mese prima di compiere diciassette anni, ha pubblicato per Sony Music il suo singolo di debutto, Distratto, composto da Elisa e Roberto Casalino. Esso ha raggiunto la prima posizione della relativa classifica ed è stato successivamente certificato doppio disco di platino per le oltre copie vendute. Al singolo ha fatto seguito la pubblicazione dell'EP omonimo, uscito in formato digitale e fisico rispettivamente il 6 e il 24 gennaio. L'EP ha raggiunto la nona posizione della relativa classifica.
Il 17 febbraio dello stesso anno, si è esibita come ospite alla serata delle cover del Festival di Sanremo 2012, cantando Al posto del mondo in duetto con la concorrente Chiara Civello.
2012-2014: Riflessi di me e collaborazioni varie Il 31 agosto 2012 è stato pubblicato Sola, singolo che ha anticipato l'uscita del suo primo album in studio, intitolato Riflessi di me e pubblicato il 2 ottobre dello stesso anno. L'album si è avvalso della supervisione artistica di Elisa e della produzione di Andrea Rigonat ed ha visto il suo debutto nei panni di scrittrice e compositrice. L'album ha raggiunto la quarta posizione della classifica italiana degli album, mentre il singolo Sola ha raggiunto la tredicesima posizione, venendo certificato successivamente disco d'oro per le oltre copie vendute.
Dall'album sono stati estratti anche i singoli Tutto quello che ho e Se cadrai, rispettivamente pubblicati il 16 novembre 2012 e il 25 gennaio 2013. Ha inoltre collaborato con Fedez alla realizzazione del brano Cigno nero, presente nell'album del rapper Sig. Brainwash - L'arte di accontentare e pubblicato come singolo il 1º marzo 2013. Nell'ultima settimana del 2014 il brano è stato certificato doppio disco di platino dalla FIMI, per aver venduto oltre copie in digitale.
Durante l'estate 2013 ha aperto i concerti di vari artisti: il 20 luglio a Gardone Riviera per Gino Paoli e Danilo Rea, il 28 luglio a Tarvisio per Franco Battiato, il 18 agosto a Marina di Pietrasanta per Cristiano De André, e il 21 settembre a Padova per Elio e le Storie Tese.
Nel gennaio 2014 ha preso parte allo spettacolo teatrale La ragazza con l'orecchino di perla nel ruolo della protagonista. Allo spettacolo hanno preso parte anche Franco Battiato, curatore delle musiche, Marco Goldin, ideatore della rappresentazione, e Alice, che è salita a sua volta sul palco.
Nel mese di marzo del 2014 è stata scelta come unica artista italiana per la colonna sonora del film The Amazing Spider-Man 2 - Il potere di Electro. Il brano, intitolato Amazing, è contenuto nella colonna sonora del film e vede Michielin in veste di coautrice sia del testo che della musica. Il 26 marzo ha rivelato che il brano sarebbe stato pubblicato come singolo dal 28 dello stesso mese, mentre l'11 aprile è stato pubblicato il videoclip.
Ha collaborato nuovamente con Fedez alla realizzazione del singolo Magnifico, contenuto nel quarto album in studio del rapper, Pop-Hoolista, e rivelatosi essere un successo a livello nazionale, venendo certificato sei volte disco di platino per le oltre copie vendute.
2015-2016: di20, primo Sanremo e partecipazione all'Eurovision Song Contest Il 6 marzo 2015 ha pubblicato il singolo L'amore esiste, composto da Fortunato Zampaglione. Il videoclip ufficiale, diretto da Giacomo Triglia, è stato reso disponibile il 9 marzo. In seguito il brano è stato certificato doppio disco di platino per aver venduto oltre copie. Il 5 maggio viene pubblicato Ora o mai più, il primo album del rapper e produttore Don Joe al quale ha partecipato con il brano Le nostre ali.
Nel giugno 2015 ha preso parte al Summer Festival con il brano L'amore esiste e Magnifico in duetto con Fedez, ottenendo due nomination per il Premio RTL 102.5 - Canzone dell'estate. Il 7 luglio è stata annunciata l'uscita del secondo singolo Battito di ciglia, avvenuta il 10 dello stesso mese assieme alla pubblicazione del relativo videoclip. Il 6 settembre 2015 è stata protagonista di un concerto a Piazza della Repubblica a Terni dedicato a Sergio Endrigo per il decennale della sua scomparsa.
Il 25 settembre 2015 è stato pubblicato il terzo singolo Lontano, anticipando di una settimana il relativo videoclip ufficiale. Il 27 settembre invece ha annunciato attraverso Facebook il suo secondo album in studio, intitolato di20. L'album, prodotto da Michele Canova Iorfida, è stato pubblicato il 23 ottobre dello stesso anno. Il 13 dicembre è stata annunciata la sua partecipazione alla 66ª edizione del Festival di Sanremo nella sezione "Campioni". Tre giorni più tardi è uscito il videoclip per il brano 25 febbraio, girato sull'Isola di Cirella.
A gennaio 2016 è stata impegnata con Nice to Meet You, la sua prima tournée in cui si è esibita da sola sul palco. Il 30 gennaio, al termine dell'esperienza, è stato pubblicato in formato digitale Nice to Meet You (Acoustic Live Solo), un EP contenente alcuni dei brani cantati durante i live, fra cui l'omonimo inedito Nice to Meet You.
Dal 9 al 13 febbraio 2016 ha partecipato in gara al 66º Festival di Sanremo con il brano Nessun grado di separazione, brano ispirato alla teoria dei sei gradi di separazione. Nel corso della terza serata dedicata alla cover ha eseguito il brano Il mio canto libero di Lucio Battisti in una versione riarrangiata. Alla fine della manifestazione si è classificata seconda dietro a Un giorno mi dirai degli Stadio. Poiché questi ultimi hanno rinunciato alla partecipazione all'Eurovision Song Contest 2016, la quale spetta di diritto al vincitore del Festival, la Rai ha scelto Francesca Michielin come rappresentante italiana: per tale occasione Michielin decide di partecipare al concorso con una versione ridotta e bilingue del singolo sanremese intitolata No Degree of Separation e diffusa online il 25 marzo 2016. Il 19 febbraio è stata pubblicata la riedizione dell'album, di20are, contenente anche Nessun grado di separazione, l'inedito È con te, Tutto è magnifico (versione originaria di Magnifico) e Nice to Meet You.
Il 19 aprile 2016 ha debuttato su Cartoon Network Italia la serie animata statunitense The Powerpuff Girls, reboot di Le Superchicche, in cui ha cantato la sigla d'apertura.
Il 29 aprile 2016 è partito dalla sua città natale Beat the Street, viaggio articolato in differenti città europee nel quale ha incontrato alcuni dei partecipanti all'Eurovision Song Contest 2016. Dopo le tappe di Vienna, Varsavia, Berlino e Copenaghen il tutto si è concluso a Stoccolma, sede della manifestazione canora europea. Si è automaticamente qualificata per la finale poiché l'Italia fa parte delle Big Five. Al termine del concorso si è classificata sedicesima.
Il 3 giugno 2016 è stato pubblicato il singolo Un cuore in due, successivamente certificato disco d'oro per le oltre copie vendute. Il 13 giugno viene diffuso il relativo video.
Nel settembre 2016, in occasione della 73ª Mostra del cinema di Venezia, è stato presentato il film Piuma il cui tema principale è Almeno tu, brano estratto come ultimo singolo di di20are il 23 dello stesso mese. Il 5 ottobre Michielin dà il via al di20are tour, tournée che la impegna per tutto l'autunno del 2016 in vari club d'Italia.
Nel febbraio 2017 ha preso parte alla colonna sonora del film d'animazione Ballerina con il brano Tu sei una favola, mentre il 28 aprile viene pubblicato 10 + 10, raccolta dei migliori successi di Syria contenente un duetto con Francesca Michielin sulle note di Non dimentico più.
2017-2019: la consacrazione con il terzo album 2640 e collaborazioni varie Il 21 luglio 2017 è stato pubblicato Vulcano, singolo scritto dalla stessa Michielin assieme a Dardust. Il video ufficiale del brano è stato girato da Giacomo Triglia a Berlino tra le 22:00 e le 5:30 del mattino ed è stato diffuso online il giorno stesso della pubblicazione del singolo. Vulcano ha ottenuto il disco di platino per aver venduto oltre copie. Il 3 settembre esegue Il Canto degli Italiani in occasione del Gran Premio d'Italia 2017.
Il 10 novembre è stato pubblicato l'album Duets - Tutti cantano Cristina di Cristina D'Avena, con la quale Francesca Michielin ha duettato nel brano L'incantevole Creamy, sigla italiana dell'omonimo anime.
Il 17 novembre è stata la volta del secondo singolo destinato all'anticipazione dell'album, ovvero Io non abito al mare, brano scritto a quattro mani con il cantautore Calcutta. Il videoclip del brano, girato a Gibellina presso il Cretto di Burri, è stato pubblicato sul canale YouTube ufficiale il 20 novembre. Il singolo viene successivamente certificato disco di platino per le oltre copie vendute.
Il 5 dicembre 2017 ha rivelato il titolo del terzo album, 2640. Il lavoro discografico, prodotto da Michele Canova Iorfida, è stato pubblicato il 12 gennaio 2018 ed ha debuttato alla seconda posizione della relativa classifica. L'album l'ha vista autrice o coautrice di quasi tutti i brani e figura collaborazioni con Calcutta, Dardust, Tommaso Paradiso e Cosmo.
Tra il 16 marzo e il 15 aprile 2018 ha promosso l'album con la relativa tournée 2640 tour. In concomitanza con la prima data del tour ha pubblicato il terzo singolo Bolivia. Il videoclip del brano è stato reso disponibile il 20 marzo. Nello stesso anno la rivista Forbes Italia l'ha inserita tra gli under 30 italiani che avranno maggiore impatto nel futuro per la categoria musica.
L'11 maggio 2018 Carl Brave ha pubblicato Fotografia, singolo estratto dal suo album Notti brave al quale hanno partecipato Fabri Fibra e la stessa Michielin in qualità di ospiti. Il brano è diventato una hit estiva e viene certificato triplo disco di platino per le oltre copie vendute. Il 25 maggio si esibisce a Milano in occasione del MI AMI Festival, uno dei più importanti festival italiani di musica indipendente e alternativa. Inoltre per l'estate 2018 riprende la promozione dell'album con la seconda parte del 2640 tour.
Il 15 giugno 2018 è stato pubblicato il quarto singolo Tropicale, accompagnato dal relativo videoclip. Il 16 novembre è uscito l'inedito Femme, il cui testo è incentrato sul tema del mansplaining. Il brano è stato incluso nella ristampa in vinile di 2640 pubblicata il 7 dicembre; tale edizione figura anche la presenza di Fotografia e una versione demo di Tropicale.
Il 24 novembre Michielin ha dato il via a Il tour sopra la techno, tournée in cui si è esibita con un live set elettronico interamente suonato da lei.