Laureatosi in Fisica a pieni voti nel 1964 presso l’Università degli studi di Roma sotto la supervisione di Livio Gratton con una tesi sulle stelle di neutroni, Franco Pacini prosegue le sue ricerche all’Institute d’Astrophysique di Parigi, all’Istituto Astrofisica Spaziale del CNR a Frascati, (Roma) e alla Cornell University (Ithaca, New York) dal 1966 al 1975 rispettivamente come postdoc, fellow, research associate, visiting professor e staff member. I suoi studi pioneristici sulle stelle di neutroni e le pulsar aprono un nuovo e importante fronte nell’astrofisica moderna.
In un articolo pubblicato su Nature nel novembre del 1967, durante il suo soggiorno ad Ithaca, Pacini mostra infatti che le stelle di neutroni, oggetti previsti dalla teoria come risultato del collasso del nucleo di una stella dopo l'esplosione di una Supernova, dovrebbero emettere una notevole quantità di energia grazie al loro intenso campo magnetico e alla rapidissima rotazione e suggerisce anche che tali oggetti sono la sorgente di energia della nebulosa del Granchio. Tali previsioni vengono confermate l'anno successivo dall'annuncio della scoperta della prima pulsar.
Forte della reputazione data dalla sua ricerca scientifica, nel 1975 Pacini viene nominato responsabile della divisione scientifica dello European Southern Observatory (ESO), svolgendo un ruolo di primo piano nel far diventare il nostro Paese membro dell’ente. Nel 1978 torna in Italia come professore ordinario all’Università di Firenze e diventa direttore dell’Osservatorio Astrofisico di Arcetri, carica che ricoprirà fino al 2001. Sotto il suo impulso Arcetri, noto sino ad allora per le ricerche sul Sole, amplia le attività aprendosi ad altri campi di studio come l’astrofisica delle alte energie, l’astronomia infrarossa, la formazione stellare, l’astronomia extragalattica e la radioastronomia. Pacini coinvolge inoltre l’Osservatorio nella costruzione del Large Binocular Telescope (LBT) in Arizona, il più grande telescopio ottico su singola montatura mai realizzato, che entrerà in funzione nel 2005. Dal lavoro su quel progetto nasce la specializzazione tuttora esistente di Arcetri nella tecnologia delle ottiche adattive, un sistema che permette di modificare in tempo reale la curvatura degli specchi di un telescopio per correggere le distorsioni causate dall’atmosfera e ottenere quindi immagini e dati con maggiore risoluzione e precisione. Tale tecnologia innovativa sarà utlizzata anche per i successivi supertelescopi costruiti dall’ESO in Cile, come il Very Large Telescope (VLT) e l’E-ELT (European Extremely Large Telescope).
Negli anni arcetrini Pacini svolge un’intensa attività di riorganizzazione degli assetti gestionali della ricerca astronomica italiana, lavoro che troverà il compimento nel 1999, con la nascita dell’Istituto nazionale di astrofisica (INAF), sotto il cui ombrello troveranno posto gli osservatori e gli istituti di ricerca astronomica e astrofisica del nostro Paese.
All’attività scientifica Pacini affianca un’intensa opera di divulgazione dell’astronomia. Le frequenti apparizioni a festival, trasmissioni radiofoniche e televisive, i suoi articoli, le pubblicazioni, il costante contatto con il modo della scuola lo rendono molto noto al grande pubblico. In questo contesto si collocano anche l’impegno come coordinatore italiano del progetto UNAWE, un programma mondiale di divulgazione astronomica rivolto ai bambini provenienti da ambienti svantaggiati, e per la costruzione, mai realizzata, del “Museo dell'Universo” sulla collina arcetrina: un grande museo scientifico interattivo aperto alla città da collocarsi in un luogo altamente simbolico per la scienza.
Nel 2001, al termine della direzione di Arcetri, Pacini entra nel Consiglio direttivo dell’Istituto nazionale di Astrofisica e diviene presidente dell’International Astronomical Union (IAU). In questa veste nel 2003 lancia la proposta di dichiarare il 2009 (quattrocentesimo anniversario delle prime rivoluzionarie osservazioni al telescopio di Galileo Galilei) ‘Anno internazionale dell‘Astronomia’. L’idea si trasforma in un progetto che ottiene il patrocinio dell’UNESCO e l’approvazione dell’Assemblea generale delle Nazioni Unite nel 2007. L’Anno internazionale dell’Astronomia ottiene un grande successo mondiale, contribuendo ad avvicinare il grande pubblico a questa disciplina, e lo stesso Pacini lo inaugurerà con un discorso pronunciato davanti all’Assemblea generale della IAU di Rio de Janeiro nell’agosto 2009.
Colpito negli ultimi anni di vita dal morbo di Parkinson, Franco Pacini muore il 26 gennaio 2012 a Firenze a causa di complicazioni della malattia. Con lui scompare una figura centrale dell’astrofisica italiana del dopoguerra che ha contribuito in modo determinante allo studio dei fenomeni dell'alta energia dell'Universo,all’organizzazione della ricerca astrofisica nel nostro Paese e al suo consolidamento internazionale, nonché alla divulgazione dell’astronomia presso il grande pubblico.