Françoise Gilberte Chauvin naît le 19 avril 1891 à Paris (9^e arr.). Elle est la d’un père non dénommé et de Marie Thérèse Chauvin, qui la reconnaît comme telle en janvier 1901. Son père, Gilbert Bandy de Nalèche, en fera de même en mars 1936, juste avant ses 45 ans.

Françoise sera désignée sous divers noms : celui de sa mère, Chauvin, son nom de naissance ; le pseudonyme de sa mère, Sylviac (sous lequel elle est connue au conservatoire et jusqu’en 1911) ; le patronyme de son mari, Frédérix (à partir de 1917) ; le pseudonyme de son mari, Feyder ; le nom de son père, Bandy de Nalèche ou plus fréquemment de Nalèche (à partir de 1936) ; et enfin, surtout, son propre pseudonyme, Rosay (à partir de 1911). Par contre, elle ne porta pas semble-t-il le nom de son éphémère beau-père, Léon Osterrieth, ni son pseudonyme d’auteur, Noël Retso.

Selon l’animateur de télévision Jean Nohain, Françoise Rosay était un enfant chétif, placé par sa mère en nourrice. Elle rêva de devenir cantatrice ; mais sa mère exigea qu’elle devînt comédienne. Finalement, elle fit les deux, obtenant un premier accessit de comédie au Conservatoire de Paris en 1910 puis un accessit de chant en 1916 et enfin un premier prix de déclamation lyrique en 1917, qui fit qu’on l’engagea à l'Opéra. En 1969, elle figurait toujours dans l’annuaire téléphonique parisien sous la mention « Françoise Rosay, de l’Opéra. »

C’est d’ailleurs à l’opéra de Lyon qu’elle rencontre Jacques Frédérix (dit Jacques Feyder), un artiste dramatique alors mobilisé dans l’armée belge. Ils se marient en juillet 1917 à Paris (7^e arr.). Parmi leurs témoins, on compte le romancier et auteur dramatique Tristan Bernard et le compositeur Henri Büsser.

Ayant démarré au théâtre dès ses 15 ans, en 1907, elle joue à Saint-Pétersbourg en 1912 et chante à l'Opéra de Paris de 1916 à 1918.

Cependant, l’essentiel de sa carrière artistique va se dérouler au cinéma. En 1911, elle figure au générique de Falstaff d’Henri Desfontaines et Clément Maurice. On la voit ensuite dans environ 107 films, dont plusieurs chefs-d’œuvre comme ceux de son mari Le Grand Jeu (1934), La Kermesse héroïque (1935) ou Pension Mimosas (1935). Julien Duvivier la sélectionne pour Un carnet de bal (1937). Elle est aussi une actrice appréciée de Marcel Carné, dans Jenny (1936) ou Drôle de drame (1937), qu’elle tourne à Joinville-le-Pont (Seine, act. Val-de-Marne), dans les studios Pathé, ville où son père avait obtenu à bail la ferme de la Faisanderie, dans le Bois de Vincennes, à la fin de la première guerre mondiale. Elle tient le principal rôle féminin, celui de Margaret Molyneux, aux côtés de Louis Jouvet et Michel Simon.

Elle n’abandonne pas l’art lyrique, créant en 1932 aux Bouffes-Parisiens une opérette, la Pouponnière de Casimir Oberfeld et Henry Verdun.

Pendant la deuxième guerre mondiale Françoise Rosay, elle quitte avec son mari la France pour la Suisse, puis rejoint en 1941 Tunis, où elle donne des cours de théâtre et anime des émissions de propagande à la radio. Elle s'enfuit de Tunisie à l'arrivée des Allemands et poursuit son travail radiophonique, à Constantine puis Alger, où elle animé une émission quotidienne s'appelle « Une française parle aux françaises ». Elle s’installe enfin à Londres en 1944, jusqu’à la fin de la guerre, mobilisée sur le poste français de la BBC, tournant des films et jouant au théâtre.

En 1945, Françoise Rosay fut nommée chevalier de la Légion d’honneur « pour avoir servi efficacement la cause de la Libération ». Elle obtint en 1957 la croix d’officier de la Légion d’honneur.

Après-guerre, revient au théâtre en 1950 avec Oncle Harry de Thomas Job, Il est important d'être aimé d'Oscar Wilde (1954), Cher Antoine ou l'Amour raté de Jean Anouilh (1970) et La Soupière de Robert Lamoureux (1971).

Elle tourne de nombreux films, dont Maria Chapdelaine de Marc Allégret (1950), l'Auberge rouge de Claude Autant-Lara pour (1951), La Reine Margot de Jean Dréville (1954), Le cave se rebiffe de Gilles Grangier (1961), La Métamorphose des cloportes de Pierre Granier-Deferre (1965). Faut pas prendre les enfants du bon Dieu pour des canards sauvages de Michel Audiard (1968) tourné à Saint-Maurice (Val-de-Marne), chez Franstudio, la voit en compagnie de Bernard Blier et Marlène Jobert.

Un de ses derniers longs-métrages fut Pas folle la guêpe de Jean Delannoy (1972).

On retrouve également Françoise Rosay dans une quinzaine de films ou feuilletons télévisés.

En 1956, elle crée un cours d'art dramatique, qu'elle dirige jusqu'en 1967.

Françoise Rosay meurt le 28 mars 1974 à Montgeron, Essonne. Elle était âgée de 83 ans et résidait toujours à Paris, rue de l’Université. Elle est enterrée à Sorel-Moussel, Eure-et-Loir et sa tombe porte la mention Françoise Bandy de Nalèche dite Françoise Rosay.

Ses trois fils travaillèrent tous dans le cinéma et utilisèrent des noms différents : Marc Frédérix (1919-2004) fut décorateur. Paul Feyder (1922-1999) était réalisateur. Enfin, Bernard Farrel (1926-1999) a été auteur, scénariste, réalisateur et comédien.