Après une adolescence mouvementée, Francis Renaud monte à Paris pour devenir acteur. Enchaînant les figurations - dans L'Invité surprise (1989), La Vieille qui marchait dans la mer (1991) - et les petits boulots, il décroche en 1994 son premier grand rôle, celui du pickpocket Fifi dans Pigalle. Dès lors, il tourne pour des cinéastes aussi talentueux que Catherine Breillat (Parfait amour !) et Nicolas Boukhrief (Le Plaisir et ses petits tracas), et réalise son premier long métrage, le drame Marie, Nonna, la vierge et moi en 2000.
Sa rencontre avec Olivier Marchal sur le plateau de la série Police district va s'avérer déterminante pour la suite de sa carrière. Le comédien-cinéaste lui propose en effet de figurer au générique de son polar Gangsters en 2001. Remarquable en flic corrompu, Francis Renaud tournera à nouveau sous la direction d'Olivier Marchal dans ses deux films suivants - 36 Quai des Orfèvres (2004) et MR 73 (2007) - et aura l'occasion de lui donner la réplique dans Scorpion (id.), drame de Julien Seri sur fond de free-fight.
Habituée aux personnages de malfrat (La Mentale) et de policier (Les Rivières pourpres 2 - les anges de l'apocalypse), cette "gueule" du cinéma français trouve également ses plus beaux rôles sur petit écran, dans les téléfilms Le Cri (2005) et L'Affaire Villemin (2006), où il interprète le père du petit Grégory. Francis enchaîne avec deux comédies populaires aux cotés de Kad Merad, RTT (2009) et Monsieur Papa (2010), avant de retrouver Olivier Marchal pour lequel il joue un membre du gang des Lyonnais.
Tournant beaucoup, le natif de Thionville privilégie les seconds rôles dans des polars, thrillers et autres films de gangsters, comme Aux yeux de tous, Le Guetteur, Le Jour attendra, Disparue en hiver, Vaurien, Bronx ou encore Overdose. On le voit aussi sous les traits du combattant de la guerre de Vendée Jacques-Louis Maupillier dans Vaincre ou mourir. En parallèle, il multiplie les apparitions côté séries, comme Spotless, Une chance de trop, Section Zéro, Les Innocents et Les Rivières pourpres.
En février 2024, Francis Renaud porte plainte contre le réalisateur André Téchiné pour harcèlement et agression sexuelle. Les faits seraient survenus entre 1988 et 2004. Dans un livre publié en 2018, La Rage au cœur, Francis Renaud évoquait déjà des abus sexuels qui auraient été perpétrés par un "superdirecteur de casting".