Francis kam schon früh mit der Welt des Showbusiness in Kontakt. Schon im Alter von sechs Jahren war sie Fotomodell und wirkte in Radioseifenopern mit. Im Alter von elf Jahren stand sie schon an der Seite von Gertrude Lawrence in dem bekannten Stück Lady in the Dark am Broadway auf der Theaterbühne. Nach dem Zweiten Weltkrieg nahm MGM sie unter Vertrag. Ihr Filmdebüt gab sie 1947 in Bezaubernde Lippen(This Time for Keeps).
In der Folgezeit spielte sie in mehreren Filmen mit, konnte aber keinen Durchbruch in Hollywood schaffen. Daraufhin ging sie zurück nach New York und spielte in der Folgezeit einige Rollen in der Frühzeit des Fernsehens und in Low-Budget-Filmen, wo sie dem einflussreichen Produzenten Darryl F. Zanuck als junge Verbrecherin im Film So jung und so verdorben(So Young So Bad) auffiel. Er gab ihr einen Vertrag bei der 20th Century Fox. In der Folgezeit spielte sie sich in die erste Riege der Hollywoodstarlets.
Einen ersten Karrierehöhepunkt erreichte sie 1955 an der Seite Spencer Tracys in Stadt in Angst(Bad Day at Black Rock). Ebenfalls 1955 spielte sie im Jugendliche-Rebellendrama Die Saat der Gewalt(Blackboard Jungle) an der Seite Glenn Fords und Sidney Poitiers. Ihre bekannteste Rolle hatte sie im Jahr darauf im Science-Fiction-Klassiker Alarm im Weltall(Forbidden Planet). Eine große Hollywoodkarriere blieb ihr jedoch in der Folgezeit verwehrt.
Francis spielte zwar noch regelmäßig in Kinofilmen, war aber seit den 1960er-Jahren vor allem im Fernsehen zu sehen, etwa in Serien wie Privatdetektivin Honey West (1965/66), wo sie die Hauptrolle verkörperte und 1966 einen Golden Globe Award erhielt. Nachdem ihre Rolle in Funny Girl 1968 fast völlig der Schere zum Opfer gefallen war und die folgenden Filme Jerry, der Herzpatient (Hook, Line & Sinker, 1969, mit Jerry Lewis) und Sexualprotz wider Willen (The Love God?, 1969, mit Don Knotts) von minderem Niveau und völlige Flops waren, zog sie sich bis auf wenige Ausnahmen nahezu völlig aus dem Filmgeschäft zurück und beschränkte sich in der Folgezeit auf ihre Fernseharbeit. In den 1990er- und 2000er-Jahren wurde sie immer mehr zu einem gerne gesehenen Gesicht in kleineren Nebenrollen in Fernsehserien wie der Drew Carey Show.