Esordisce come romanziera nel 1972 con un titolo a lungo meditato, "Il cuore borghese" (Vallecchi, ripubblicato negli Oscar Mondadori nel 1986) in cui la forma del romanzo (misura congeniale a cui arriva, come detto, dopo un serio apprendistato) si confonde con quella del saggio. Il successo di pubblico arriva con "Madre e figlia" (Einaudi, 1980), dove le vicende di una relazione privata si intrecciano con quelle della storia italiana a cavallo della seconda guerra mondiale. Nel terzo romanzo "L'uomo del parco" (Mondadori, 1984) affronta il tema della malattia mentale filtrato attraverso la lente dell'analisi psicoanalitica, sullo sfondo rimane la realtà della vita che, nonostante la sua durezza e enigmaticità, non si può cessare di indagare. La prova successiva, "Il figlio dell'impero" (Einaudi, 1993), amplia il respiro fino ad abbozzare l'affresco corale di una intera epoca, quella della fine dell'impero napoleonico e della nascita dell'Europa moderna, ma in primo piano rimangono i dettagli della ricostruzione e la psicologia del protagonista che risalta sullo sfondo degli avvenimenti storici. Nel 2003 esce "L'ultima casa prima del bosco" (Einaudi) un romanzo sull'identità e sulle apparenze e anche sulle conseguenze del passato: su come possa venire ingoiato senza lasciare alcuna memoria o, viceversa, esercitare un fascino tale da far perdere la ragione, come capita al protagonista trascinato nel vortice delle storie riemerse da un archivio condominiale. "L'inizio è in autunno" (Einaudi, 2008) è l'ultimo titolo pubblicato, un romanzo al cui nocciolo sta la poetica più intransigente della Sanvitale: accanto all'indagine psicologica dei personaggi c'è l'assillo della ricerca della verità che va perseguita nonostante le lusinghe dell'inganno. La falsità può nascondersi dietro un capolavoro dell'umanità, nella presunzione di restaurare la versione più autentica di un'opera d'arte o nei sondaggi della psicoanalisi, ma soprattutto cova tra le relazioni umane, nell'illogicità dei sentimenti, nelle pulsioni che guidano a desideri incoerenti. Lo scrittore non può esimersi dall'affrontare la realtà e adoperarsi per allontanare il dubbio che il falso possa assomigliare o sostituire la verità, piuttosto è meglio perseguire una onesta verosimiglianza testimoniata dalla propria storia. Dovere dello scrittore è avere relazioni con il mondo culturale ma anche con quello civile, non avere timore di essere contaminati dalla realtà.
Francesca Sanvitale ha pubblicato anche il romanzo breve "Verso Paola" (Einaudi, 1991), un viaggio spirituale attraverso l'Italia, e alcune raccolte di racconti, "La realtà è un dono" (Mondadori, 1987), "Separazioni" (Einaudi, 1997) e "Tre favole dell'ansia e dell'ombra" (Il Melangolo, 1994). La sua attenzione, sempre vigile, per gli avvenimenti civili e letterari ha trovato spazio autonomo nei saggi di "Mettendo a fuoco" (Gremese, 1988) e di "Camera ottica" (Einaudi, 1999). Ha inoltre tradotto "Il diavolo in corpo" di Radiguet (Einaudi, 1989) e si è occupata di introdurre o postfare varie edizioni di testi altrui, come quelli di Marguerite Yourcenar, Simone de Beauvoir, Katherine Mansfield, Stendhal, Victor Hugo. L'attività di critica e di studiosa si è concretizzata nella cura de "Le scrittrici dell'Ottocento", un'ampia antologia con saggio introduttivo pubblicata dall'Istituto poligrafico dello Stato nel 1997.
Nel 2001 è stata nominata Cavaliere della Repubblica Italiana per meriti culturali.