Франсуа был сыном художника Жана Клуэ, у которого и обучился живописи и должность которого он унаследовал; впоследствии их работы часто путали. Как и отец, носил прозвище «Жане». Испытал значительное влияние Г. Гольбейна Младшего. Работал преимущественно в Париже.
C 1540 – придворный живописец Франциска I и его преемников, руководил большой мастерской, где его эскизы воплощались в миниатюрах, эмалях и больших декоративных композициях для оформления придворных празднеств. Снимал посмертные маски (Франциска I и других членов династии Валуа).
Его творчество отмечено лишь несколькими упоминаниями в документах: в 1552 он украсил вензелями и полумесяцами сундук, сделанный Сибеком де Карпи; в 1568 он находился на службе у Клода Гуффье и его жены, Клод де Боне; в 1570-1572 ему оплатили работу над двумя знаменами для труб короля и доспехами. В 1572 он исполнил миниатюрный портрет испанской королевы. Наконец, в последний раз его имя упомянуто в качестве консультанта по монетам.
Был, в первую очередь, замечательным портретистом. Его наследие включает большое число подготовительных рисунков (преимущественно погрудных, исполненных карандашом, иногда чуть подкрашенных сангиной или цветными карандашами), а также ряд живописных портретов, в том числе Карла IX (1561, Музей истории искусств, Вена), аптекаря П. Кюта (1562, Лувр, Париж) и Елизаветы Австрийской (1571, там же). Всем этим работам, тщательным по лепке характеров, присущи классически-ренессансное спокойствие и прозрачная духовная ясность художественного строя. Напротив, в его мифологических женских образах, аллегориях и жанровых сюжетах, где портретность завуалирована (Купающаяся женщина, ок. 1571, Национальная галерея искусства, Вашингтон; и др.), нарастают маньеристические черты – эротизм и гротеск.
Работая при дворе более тридцати лет, Франсуа Клуэ часто изображал одних и тех же людей. Примером может служить серия портретов короля Карла IX, которого Клуэ рисовал многократно, начиная с младенчества и почти до самой смерти.
Ученик своего отца, Франсуа Клуэ, несомненно, работал вместе с ним в начале своей карьеры. Ч. Стерлинг обнаружил следы этого сотрудничества в портрете Франциска 1 (Париж, Лувр), который традиционно приписывается Жану Клуэ; по мнению исследователя, Франсуа исполнил руки короля. Вскоре молодой художник создал искусство более утонченное и более сложное, чем живопись его отца; это искусство сочетало в себе различные влияния - итальянское, нидерландское и немецкое. Его портреты являют собой чудесный пример изысканного придворного искусства Франции XVI в.
Рисунки Франсуа Клуэ также не столь просты, как рисунки его отца; они более сложные по технике, тонко описывают модели, подчеркивая выражение лица (Портрет Маргариты Французской в детстве, Шантийи, музей Конде). Младший Клуэ уделял много внимания деталям костюма, передаче фактуры разнообразных материалов. Его характеристики остры и точны, они раскрывают человека гораздо полнее и глубже, чем все исследования историков.
Позднее творчество Клуэ близко ко второй школе Фонтенбло. Его работы отличались насыщенностью цвета и подчёркиванием величавости человека, изображенного на картине.
Клуэ был высоко оценен королевой Екатериной Медичи, которая собирала его рисунки (551 рисунок она передала своей внучке Кретьенн Лотарингской; большая часть ныне хранится в Шантийи, музей Конде).
Таланту Клуэ посвящали восторженные строки такие поэты, как П. де Ронсар и Ж. дю Белле. Ронсар, в частности, описал утраченное произведение с изображением обнаженной возлюбленной художника; благодаря этому упоминанию Клуэ можно приписать жанровые картины в Национальной галерее в Вашингтоне.
Влияние живописи Клуэ во Франции и за границей было огромным, особенно в области портрета и жанровых сцен. Он возглавлял мастерскую, в которой работали художники, ныне почти неизвестные (Жак Патен, сын Жана Патена, сотрудника Жана Клуэ и Симон Леруа). В мастерской изготовлялись копии созданных им портретов. Это способствовало распространению искусства мастера по всей Европе.