Franco Gentilini nasce a Faenza il 4 agosto 1909. Dopo aver frequentato le scuole elementari, inizia a lavorare come apprendista in una bottega di ebanista intagliatore. Tra il 1921 e il 1925 frequenta i quattro corsi serali della Scuola Comunale Minardi di Disegno industriale e Plastica. Successivamente incontra il pittore Giovanni Romagnoli, titolare della cattedra di Pittura all'Accademia di Belle Arti di Bologna, che gli dà i primi consigli.
Nel 1928 fa il primo viaggio a Parigi, nel 1930 la giuria della XVII Biennale di Venezia ammette un suo dipinto nei saloni espositivi.
Nel 1932 si trasferisce definitivamente a Roma. Entra nell'ambiente letterario dello storico Caffè Aragno, dove conosce e frequenta artisti e letterati (Cagli, Mucci, Falqui, Sinisgalli, de Libero), avviando con loro lunghe collaborazioni nell'illustrazione di testi e poesie.
Gli anni trenta sono anni di partecipazione a numerosi Premi (II posto al Premio Rubicone 1933; primo al Premio Rubicone 1934), a Biennali e Quadriennali. Gentilini passa dalla realizzazione di opere pubbliche commissionate, ad opere al cavalletto (ritratti, modelle) ed a composizioni ispirate alle popolari feste campestri.
Il mondo artistico di Gentilini si forma nel contesto della cultura italiana tra la seconda guerra mondiale e il dopoguerra, quindi a debita distanza dal Futurismo. L'artista mette a punto la sua nota tecnica fatta di un felice connubio tra pittura e disegno con un fondo preparatorio in sabbia di fiume. Le figure delle sue opere sono le tipiche Cattedrali (a partire da quella siciliana di Monreale), i Battisteri, i muri di città, i giocolieri, i paesaggi dalle prospettive irregolari, i suonatori di strada, le donne caratterizzate da stivaletti con tacchi a rocchetto, le biciclette, i carretti e gli animali, come i gatti e i leoni (il segno zodiacale di Gentilini). Gentilini è l'artista della joie de vivre, anche se quella gioia è malata dalla perdita di un mondo frantumato dalla guerra e dalla premonizione della nascente società di massa.
Dalla metà degli anni cinquanta le sue figure (famose le sue donne ispirate all'attrice Kim Novak) e composizioni si trasformano verso l'essenzialità geometrica, assumendo quasi una bidimensionalità piena di effetti cromatici e ritmici del colore. La pittura di Gentilini si aggancia alla tradizione popolare, riabilitando l'aspetto grafico della pittura.
Gli viene assegnata, per meriti artistici nel 1976 la Medaglia d’Oro della Pubblica Istruzione.
La sua attività continua fino al 1981, quando muore il 5 aprile dopo una brevissima malattia.
Gentilini è considerato uno dei maggiori artisti figurativi italiani del novecento. Le sue opere, sempre contese dai collezionisti, sono presenti in importanti musei e raccolte pubbliche. Per celebrare il centenario della nascita dell'artista si sono svolte diverse retrospettive in spazi pubblici (Museo Pericle Fazzini di Assisi e Museo della Permanente di Milano).