Estudió medicina en la Pontificia Universidad Católica de Chile (1964-1966) y luego Biología y paralelamente Filosofía (1965-1967) en la Universidad de Chile. Realizó estudios de postgrado en la Universidad Harvard (1968-1970), doctorándose con la tesis "Insect Retinas: Information processing in the compound eye". El director de su investigación fueTorsten Wiesel, que en 1981 sería galardonado con un Premio Nobel de Medicina por sus estudios sobre el sistema visual.1
Como parte de su formación inicial estudió licenciatura en filosofía en el Instituto Pedagógico de la Universidad de Chile, junto las lecturas guiadas por Roberto Torreti en el Centro de Estudios Humanísticos de la Escuela de Ingeniería en 1966.
En 1970, Francisco declinó una oferta de trabajo en Harvard para asumir otra en la Universidad Técnica del Estado (actual Universidad de Santiago), una decisión parcialmente motivada por la elección para la presidencia de su país de Salvador Allende, a quien Francisco, de orientación política izquierdista, apoyaba incondicionalmente. Fue un tiempo de esperanza en el que el socialismo prometía un nuevo orden social y económico más igualitario en Chile.1
Su interés fundamental fue estudiar las bases biológicas del conocimiento, lo que lo llevó a investigar los fenómenos cognitivos y a interesarse principalmente por el fenómeno de laconciencia.
Uno de sus principales aportes es el trabajo realizado con Humberto Maturana, del que nació la teoría de la autopoiesis, que define a los seres vivos como organismos autónomos, en el sentido en que son capaces de producir sus propios componentes y que están determinados fundamentalmente por sus relaciones internas. Esta teoría ha tenido gran relevancia en una amplitud de campos, desde la Teoría de sistemas hasta la sociología o la psicología.
Pronto llegaron los días oscuros de 1973 y el golpe de estado encabezado por Augusto Pinochet, cuando la universidad cayó bajo el control de la policía y Francisco se vio enfrentado a la alternativa de cerrar su laboratorio o denunciar a sus amigos afines a Allende. Entonces fue cuando Francisco y Maturana tuvieron que poner punto final a su trabajo en Chile. Y, lo que era peor todavía, la policía empezó a detener a muchos de sus amigos y colegas. Él mismo había participado activamente en política y sabía que sólo era cuestión de tiempo que la policía acabase yendo a por él. Por aquel entonces huyó con su esposa y sus tres hijos a Costa Rica, el punto más distante al que podrían llegar que todavía aceptaba refugiados políticos chilenos. Aterrizó allí con 100 dólares y se vio obligado a trabajar durante un tiempo como guía turístico hasta que, finalmente, consiguió un puesto como profesor de biología en la universidad.1
Más tarde, dentro de su interés por el fenómeno de la conciencia, Varela comienza el estudio de los mecanismos neuronales asociados a los fenómenos conscientes, en que investiga la sincronía de la actividad neuronal y su relación con la percepción y los estados de conciencia.
Por último, Varela se interesa en desarrollar una metodología para la investigación de estos fenómenos, que denomina neurofenomenología, en que intenta conciliar la mirada científica con la experiencia vital. Sobre esta forma de enfocar el estudio de la conciencia, se pueden encontrar influencias en la fenomenología de Maurice Merleau-Ponty, discípulo de Edmund Husserl. Sin embargo, más importante es al respecto el acercamiento que realiza Varela a disciplinas de conocimiento oriental, como el budismo, la practicó en el transcurso de su vida, y con la que intentó generar un diálogo científico.
La neurofenomenología de Varela plantea que las sensaciones que el ser humano experimenta en la vida cotidiana no activan una determinada zona x en el cerebro como región única, que se corresponda con el tipo de sensación que se experimenta, sino que, al momento de tener una experiencia determinada, distintas zonas del cerebro son estimuladas formando un patrón único que se corresponde con la experiencia irrepetible. Esto cambia radicalmente la concepción tradicional de regionalidad, con puntos e intersecciones únicas del plano espacial. Esto en la neurofenomenología de Varela se conoce como "bloqueo en fase" y es la manera en que aquí se concibe la regionalidad cerebral y su relación simultánea de coordenadas espaciales en una coordenada temporal única y fugaz que dura solo el tiempo que el cerebro necesita para procesar la impresión a la cual se enfrenta.2
A su muerte, era Director de Investigación del Centro Nacional de Investigaciones Científicas (CNRS) en el Laboratorio de Neurociencias Cognitivas e Imágenes Cerebrales (abreviado LENA en francés) de París.
Actualmente el productor Pablo Rosenblatt esta en post-producción de un documental sobre la vida de Francisco Varela, "Vivir, soñar y morir: la travesía de Francisco Varela".
