Nasceu no Porto a 19 de Julho de 1934, no seio de uma família política e socialmente destacada da cidade invicta. Licenciou-se em Direito pela Universidade de Lisboa, em 1956, dedicando-se em seguida à advocacia e exercendo as funções de co-director da Revista dos Tribunais - fundada por seu pai, reconhecido advogado do Porto, José Gualberto Sá Carneiro - onde publicou estudos sobre dissolução do casamento em face da Concordata e do Código Civil em vigor. Em 1969, tomou assento na Assembleia Nacional, integrando a chamada "ala liberal" (com Miller Guerra, Pinto Leite). Paralelamente, foi colaborador do jornal Expresso, tendo sido responsável pela coluna «Vistos». Assinou diversos artigos censurados, nomeadamente: «Ser ou não ser deputado», «Por uma Social-Democracia Portuguesa» e «Poder Civil, Autoridade Democrática e Social-Democracia». Renunciou ao mandato como deputado em 2 de Fevereiro de 1973; na origem desta atitude estiveram fortes discordâncias com deputados da ala dos chamados "ultras", favoráveis ao regime vigente. Regressou ao Porto, voltando a exercer advocacia. Poucos dias após a revolução de 25 de Abril de 1974, funda, com Magalhães Mota e Pinto Balsemão, o Partido Popular Democrático (PPD). Integrou o I Governo Provisório, como ministro sem pasta, chegando a desempenhar funções de ministro-adjunto do primeiro-ministro.

Acompanhou o pedido de demissão de Adelino da Palma Carlos, dedicando-se ao PPD. Foi eleito Secretário-Geral em Novembro de 1974. Razões de saúde fizeram-no ausentar para o estrangeiro, tendo sido designado para o seu lugar Emídio Guerreiro. Regressando a Lisboa, retoma a actividade política, gerando fortes dissidências no seio do partido. Em 1976, o PPD passou a designar-se Partido Social Democrata (PSD). Mais tarde foi criado o lugar de Presidente, para o qual foi eleito. A discordância com posições políticas de elementos do seu partido levaram-no a abandonar o PSD em 1977. Regressou à presidência deste partido, em 1978. Promoveu a aproximação com o Centro Democrático Social (CDS) em Julho de 1979 e com o Partido Popular Monárquico (PPM), surgindo a Aliança Democrática. Esta força partidária sagrou-se vencedora absoluta nas eleições desse ano. Na qualidade de líder do maior partido da coligação, foi incumbido de formar Governo (o primeiro à direita do Partido Socialista (PS), após o 25 de Abril). Nas eleições de 1980 a AD obteve resultados ainda mais favoráveis. O seu prestígio incontestado fê-lo lançar a candidatura do General Soares Carneiro à Presidência da República. Foi nesta campanha que Sá Carneiro, assim como toda a comitiva e tripulação, perderam a vida num acidente de avião, quando se dirigiam para o Porto. Figura carismática da cena política portuguesa, Francisco Sá Carneiro recebeu a título póstumo, a Medalha de Mérito da Região Autónoma da Madeira (1984), e a Grã- Cruz da Ordem Militar de Cristo; dá nome a inúmeras ruas e avenidas do país.