Passionné d’histoire des sciences, Francesco Panese entreprend d’abord des études de physique panachées de philosophie. Par l’épistémologie, il découvre la sociologie et l’anthropologie des sciences qui connaissent un essor important dans les années 1980. Il bifurque alors vers les sciences sociales tout en conservant ce «pli» épistémologique et scientifique.
Sous la supervision de feu le Professeur Paul Beaud, il développe dès sa thèse (1997) sa première ligne de recherche: l’épistémologie historique et sociale de la production des connaissances scientifiques sous l’aspect du rôle des technologies graphiques. Parallèlement à son parcours académique, son intérêt pour la culture et la communication scientifique le mène à la direction du Musée de la main UNIL-CHUV (1999-2015) où il réalise avec son équipe de nombreuses expositions au croisement entre sciences, médecine et société.
Il est recruté en 2005 pour un poste de professeur associé en études sociales de la médecine et des sciences à cheval entre la FBM (IHM) et les SSP (ISS) et focalise plus résolument ses recherches sur les sciences sociales de la médecine et de la santé dans leurs dimensions épistémique, technique, pratique et sociopolitique.
En 2008, il prend la direction du Collège des Humanités de l’EPFL avec son collègue Bernard Voutat, tous deux assumant la responsabilité du programme SHS qu’ils étendent aux sciences sociales et politiques peu présentes à sa création en 2004.
Après son mandat à l’EPFL et un séjour sabbatique aux États-Unis (2013-14), il quitte la direction du Musée pour se consacrer entièrement à l’enseignement et à la recherche. Il contribue avec ses collègues à la création du Laboratoire d'étude des sciences et des techniques–STSLab et au développement de nouveaux projets de recherche en sciences sociales de la santé et de la biomédecine.
Ses recherches actuelles s’inscrivent dans quatre axes principaux: le développement de la biomédecine post-génomique, notamment l’épigénétique et la «médecine personnalisée» ; le transfert de connaissances en médecine, en particulier dans le domaine de l’autogestion des maladies chroniques ; les études sociales et historiques des sciences du cerveau ; et des recherches collaboratives menées avec des collègues médecins.