Franco Gentilini nasce a Faenza il 4 agosto 1909 da Luigi, calzolaio, e dalla sua seconda moglie, Annunziata Cenni. È minore di sette anni di una unica sorella, Maria.

Tra il 1921 e il 1925 si iscrive ai corsi serali della Scuola Comunale “T. Minardi” di Disegno e Plastica per Artigiani e contemporaneamente lavora come apprendista nella fabbrica di ceramiche “Focaccia & Melandri”, frequentando la Pinacoteca Comunale e studiando di notte la pittura antica. È probabilmente in questo periodo che si colloca il suo viaggio a Bologna per mostrare i suoi disegni al pittore Giovanni Romagnoli, titolare della cattedra di Pittura all’Accademia di Belle Arti della città; questi lo incoraggia a lavorare da solo invece di iscriversi all’Accademia, e lo presenta al critico d’arte Nino Bertocchi.

Nel 1927,diviene aiutante del pittore Mario Ortolani, proprietario di una piccola fabbrica di maioliche, presso il quale vede numerose riproduzioni degli Impressionisti, di Cézanne, dei Cubisti

Nel 1928 dipinge figure, ritratti di amici, paesaggi della campagna e della periferia faentina. Un bronzo e una terracotta realizzati tra il 1928 e il 1929, sono tra i suoi pochi esempi di scultura.

Nel 1929 il primo viaggio a Roma, dove soggiorna per alcune settimane. Espone a Bologna alla I Mostra Regionale del Sindacato Fascista Emiliano-Romagnolo degli Artisti che sarà la prima di una nutrita serie.
Adibisce a studio uno stanzone al piano rialzato di una fabbrica in abbandono, l’antica Cereria Ghinassi di Faenza.
Nel 1930, la giuria della XVII Biennale di Venezia accetta un suo quadro.
Primo viaggio a Parigi per studiare dal vero gli Impressionisti e Cézanne.
Si diploma al “Corso libero di stile per Ceramisti” alla Regia Scuola per la Ceramica di Faenza.
Nel 1932 si trasferisce definitivamente a Roma dove, frequentando la Terza Saletta del Caffè Aragno, conosce Renato Barilli, Vincenzo Cardarelli, Emilio Cecchi e Giuseppe Ungaretti e i giovani Leonardo Sinisgalli, Luigi Diemoz, Enrico Falqui e Corrado Cagli, ai quali si lega per stima, amicizia e rapporti di collaborazione.

Nel 1933,prima personale alla “Galleria di Roma” diretta da Pier Maria Bardi: successo di critica e di stampa.

Dal 1934, entra come disegnatore nelle redazioni di “Quadrivio” e de “L’Italia Letteraria”.

Nel 1935, partecipa alla II Quadriennale di Roma con due opere: una di queste, Giovani in riva al mare (1934), viene acquistata dal Governatorato Romano per le Collezioni Capitoline

Nel 1936, partecipa alla XX Biennale di Venezia.
Vince il Premio San Remo per la pittura con il bozzetto per un affresco sulla Maternità destinato alla Casa Maternità e Infanzia di Roma.

Nel 1937, prima esposizione all’estero, al Carnegie Institute di Pittsburgh.
Nel 1938, per la XXI Biennale di Venezia realizza sulla parete esterna del Padiglione Italiano l’affresco La nascita di Roma, commissionato l’anno precedente.
Alla fine dell’anno si trasferisce nello studio di Via Margutta 17.

Nel 1939, ha una sala con venti opere alla III Quadriennale di Roma, dove ottiene un premio in denaro. Si autopresenta in catalogo.
Viene nominato senza concorso, dal ministro Bottai, titolare della cattedra di Ornato Disegnato al Regio Liceo Artistico di Firenze.

Nel 1940, vince il concorso bandito per ‘La decorazione in mosaico nel salone del Palazzo dei Ricevimenti e Congressi’ dell’E42, al quale ha partecipato con il gruppo composto da Quaroni, Capizzano e Guerrini. Nell’Antisala dei Commissari, sceglie di eseguire una grande Composizione allegorica (Festa Campestre), con pittura murale a tempera.
Inizia la collaborazione come illustratore della rivista “Primato”.
Sposa Stefania Giorgi, figlia di un medico pisano.
Nel 1943, alla IV Quadriennale di Roma, dove espone otto opere e ottiene un premio, la Galleria Nazionale d’Arte Moderna di Roma acquista il dipinto La camera incantata (1943).
Nel 1944, nasce Orsola, sua unica figlia.

Nel 1948, con tre opere partecipa alla Rassegna Nazionale di Arti Figurative, organizzata dall’Ente della Quadriennale di Roma alla Galleria Nazionale d’Arte Moderna, e alla XXIV Biennale di Venezia.
Personale alla Galleria Athena di Roma. Prima personale alla Galleria del Naviglio, Milano.

Nel 1950, gli viene assegnato il ‘Premio Vie Nuove’ per la pittura. Prima personale a Parigi alla Galerie Rive Gauche, presentato da Guido Piovene, dove espone, oltre ai dipinti, dieci disegni per La Metamorfosi di Franz Kafka. È invitato alla XXV Biennale di Venezia.

Nel 1953, inizia la collaborazione con la rivista “Civiltà delle Macchine” diretta da Leonardo Sinisgalli.
L’editore Luigi De Luca (Roma) stampa la cartella La metamorfosi di Kafka illustrata da undici disegni di Gentilini.

Nel 1955, partecipa a rassegne di arte italiana contemporanea in Spagna e Francia (Barcellona, Madrid, San Sebastian, Tolone, Marsiglia), in Giappone (Kamakura, Tokyo, Kyoto, Osaka) e a San Paolo del Brasile. Inizia la sua presenza alle Biennali dell’incisione italiana all’Opera Bevilacqua La Masa di Venezia.
Ottiene, per concorso, la cattedra di Pittura all’Accademia di Belle Arti di Roma, dove insegnerà fino al 1977

Nel 1959,  personali alla Galleria R. Rotta di Genova e alla John Heller Gallery di New York, in occasione della quale riceve l’incarico dalla rivista “Fortune” di Chicago di realizzare una serie di tele sui Ponti di New York, per illustrare il numero 2 del febbraio 1960 della rivista. Elabora poi, nello studio romano, gli appunti presi durante il mese di soggiorno a New York. Le opere, in seguito, verranno esposte in una mostra itinerante negli Stati Uniti.
Tre opere appartenenti alla Collezione Minima di Cesare Zavattini vengono esposte a Palazzo Strozzi di Firenze.Nel 1961, la rivista “Epoca”, Milano, nel centenario dell’Unità d’Italia, gli commissiona un dipinto da utilizzare per un servizio sulla grande industria italiana.Nel 1963, esegue le scene ed i costumi per il dramma giocoso Il Filosofo di campagna di Carlo Goldoni con musiche di Baldassarre Galuppi, rappresentato al Teatro della Cometa di Roma. In questo anno, in agosto, dopo brevissima malattia, muore la moglie Stefania e, in novembre, scompare l’amico mercante Carlo Cardazzo.

Nel 1964, la rivista “Panorama delle Arti” di Roma, gli dedica un numero monografico con testi di Libero de Libero e Leonardo Sinisgalli.
Acquista e ristruttura, nella campagna di Guardistallo (Pisa), sulle colline sopra Cecina, un casale che denomina ‘I Tramerini’ dal nome locale del rosmarino e dove passerà le estati in vista del mare.

Nel 1965, vince il Premio per la litografia alla VI biennale dell’incisione italiana contemporanea. E’ nominato membro corrispondente dell'Accademia di San Luca di Roma.

Nel 1969, è eletto Accademico di San Luca.Personale alla Galleria del Naviglio di Milano.
Acquista uno studio a Parigi, dove ogni anno soggiornerà per alcuni mesi, durante i quali intensifica l’amicizia con R. A. Augustinci, direttore della Galerie Rive Gauche.

Nel 1970, Sposa Luciana Giuntoli, parente della prima moglie Stefania.
Il Gabinetto G. P. Vieusseux a Palazzo Strozzi, Firenze, organizza una grande antologica della sua opera grafica.Nel 1971, la Litografica Internazionale di Milano pubblica la cartella di grafica Le chiese di Gentilinia, con un testo di Dino Buzzati. A Milano, personale di pittura alla Galleria del Naviglio e antologica di grafica alla Libreria Rizzoli. Esce la monografia con testo di Guido Giuffrè per Il Cigno Edizioni d’arte di Roma, che pubblicano anche la cartella di acqueforti Le carte da gioco di Gentilini.
Nel 1972, Mostra Franco Gentilini e il Libro d’Arte a L’Arco Studio Internazionale d’Arte Grafica di Roma e antologica di grafica al Centro di Studi per l’Incisione di Pesaro.

Nel 1973, il pontefice Paolo VI lo nomina Commendatore dell’Ordine di San Silvestro. Con una cerimonia nella Cappella Sistina si inaugura la Collezione Vaticana d’Arte Religiosa Moderna. Le opere di Gentilini sono sistemate in un’unica sala.

Nel 1974, aTerni gli viene assegnato il Premio San Valentino d’Oro per la pittura. Partecipa, alla Pinacoteca Comunale di Ravenna, alla mostra Pittura in Romagna dalla seconda metà dell’800 ad oggi. Personali di grafica alla Kasahara Gallery di Osaka e di pittura alla Galleria Toninelli di Roma.
Dopo una permanenza di trentacinque anni, lascia lo studio di Via Margutta per trasferirsi in uno studio di proprietà in Via dei Coronari.Nel 1975, per la serie televisiva del secondo canale RAI Come nasce un’opera d'arte, Franco Simongini gli dedica una puntata.

Nel 1976, Gli viene assegnata, per meriti artistici, la Medaglia d’Oro della Pubblica Istruzione. A Montecatini Terme, l’Accademia d’Arte Scalabrino gli conferisce il Premio “Vita d’Artista”.Nel 1977, Le Edizioni Il Cigno di Roma pubblicano una serie di tre cartelle di acqueforti su Le Maschere di Gentilini.Lascia la docenza all’Accademia di Belle Arti di Roma.

Nel 1981, a  gennaio la  personale alla Totah Gallery di Londra.
Destinato ad essere eletto Presidente dell’Accademia Nazionale di San Luca, si vede costretto a declinare l’incarico per motivi di salute. Il 5 aprile muore dopo una breve malattia. È sepolto nel piccolo cimitero di Veio (Roma).
L’ultima sua opera, un Autoritratto, 1981 commissionato dagli Uffizi, entra a far parte della Raccolta di Autoritratti di Artisti del Novecento.