Выпускник Университета Саламанки, Айала — бывший священник-доминиканец, рукоположён в 1960 году.
Но в течение нескольких следующих лет оставил служение.
В 1961 году переехал из Испании в США. Там в Колумбийском университете занимался под руководством Феодосия Добжанского и в 1964 году получил степень Ph.D.
В 1995 году он возглавлял Американскую ассоциацию содействия развитию науки.Ныне Франсиско Айала работает в Калифорнийском университете в Ирвайне, занимая должности профессора биологии, экологии и эволюционной биологии (School of Biological Sciences), профессора философии (School of Humanities), профессора логики и философии науки (School of Social Sciences).