Mint legkisebb fiú katonai pályára lépett – részt vett a szárd–osztrák háború egyik utolsó, fontos ütközetében, a novarai csatában (1849). A háború mély nyomokat hagyott benne, leszerelt, lemondott tiszti rangjáról, és elment Párizsba, ahol matematikát tanult. Hazatérve a torinói egyetem professzora lett, közben pedig megszerezte a doktori fokozatot. Francesco Faà di Bruno a világ egyik vezető matematikusa volt. Számos jelentős felfedezést tett a modellelmélet és az elliptikus függvények elmélete terén. Az ő nevét viseli a Faà di Bruno-képlet. Mintegy negyven tudományos cikk szerzője volt, amelyek francia, amerikai és olasz folyóiratokban jelentek meg.Mindeközben egyre inkább részt vállalt abban a szociális reformban, amely akkoriban Torinóban zajlott. Bosco János közeli barátja és munkatársa lett. Segített hajléktalanszállásokat, valamint otthonokat létrehozni az idős emberek számára. Emellett felépíttetett egy templomot (Nostra Signora del Suffragio – a purgatóriumban szenvedő lelkeket segítő Szűzanya tiszteletére) azon katonák emlékére, akik az olasz egységtörekvések harcaiban vesztették életüket.
Francesco már negyvenes éveiben járt, amikor megért benne a papi hivatás gondolata. Megkezdte teológiai tanulmányait, ám akkoriban nem fogadták szívesen a kései hivatásokat. Végül IX. Piusz pápánál fellebbezett, akinek különleges engedélyével ötvenegy éves korában mégis pappá szentelték.
1881-ben megalapított egy női jótékonysági szervezetet, amely évtizedekkel később szerzetesrenddé alakult (Suore Minime di Nostra Signora del Suffragio), hogy segítséget nyújtson az akkoriban igen kiszolgáltatott helyzetben lévő női háztartási alkalmazottak, cselédek, illetve a leányanyák számára. Francesco Faà di Bruno a közösséggel létrehozott Torinóban egy menedékházat prostituáltak részére, amely akkoriban egészen rendkívüli volt.
