Sabatini llegó a Madrid en 1760 con el máximo reconocimiento, ya que había sido requerido por el mismísimo rey y nombrado Maestro Mayor de las Obras Reales, además, en un breve espacio de tiempo, le fue concedido el grado de teniente coronel del Cuerpo de Ingenieros y le fue otorgado el título de Académico de Honor de la Real Academia de Bellas Artes de San Fernando. Francisco fue recibido en Madrid con honores y señalado con grandes responsabilidades.
Su primera y principal tarea era la de remodelar el exterior del Palacio Real y acondicionar su interior. Sabatini comenzó con el encargo rápidamente: reordenó la fachada, dirigió la decoración interior, amplió el complejo hacia el sur, proyectó otra ampliación hacia el norte que no llegó a realizar y construyó las caballerizas reales.
A la par, se encargó de las obras de decoración interior del Palacio del Buen Retiro y del Palacio de El Pardo y abordó otros encargos como Maestro Mayor de las Obras Reales. Entre estos destaca el monumental edificio de la Casa de Aduana en la calle Alcalá, actual sede del Ministerio de Hacienda y Función Pública; el diseño de los sepulcros de Fernando VI y Bárbara de Braganza en la iglesia del Real Convento de la Visitación, conocido como las Salesas Reales; el diseño de la fachada y torres de la iglesia de San Francisco el Grande, así como la dirección de su obra, ya comenzada; el Palacio de los Secretarios de Estado, conocido más tarde como Palacio de Godoy, en las inmediaciones del Palacio Real; la Academia de Caballería de San Gil o de Leganitos, ya desaparecida y emplazada en el espacio que hoy ocupa la Plaza de España; o el ambicioso proyecto del Hospital General, iniciado por José de Hermosilla y asignado después a Sabatini, quien no pudo ver terminado el complejo por el excesivo costo de las obras, factor que ralentizó su construcción. Sólo se levantó un tercio del proyecto y en la actualidad alberga el Museo Nacional Centro de Arte Reina Sofía.
Como fue el caso del proyecto del Hospital General, cabe mencionar que sus intervenciones en los alrededores del Prado Viejo —área hoy conocida como Paseo del Prado y el Buen Retiro, Paisaje de las Artes y las Ciencias o, en su denominación corta, Paisaje de la Luz, declarado Patrimonio Mundial de la UNESCO desde 2021— dejaron una fuerte impronta que ha llegado hasta nuestros días. Desde la ordenación del nuevo Real Jardín Botánico o el diseño de su enverjado, así como su puerta real, que da acceso desde el Paseo del Prado, hasta la emblemática Puerta de Alcalá, que encontraría su par en la Puerta de San Vicente, de manera que la ciudad quedó enmarcada por estas entradas monumentales.
Además de todos estos proyectos, entre sus trabajos encontramos una excelsa labor de rehabilitación y consolidación de edificios militares y religiosos, así como trazados y adecuación de caminos o diseño de arquitecturas efímeras con motivo de celebraciones y festejos.
El arquitecto también intervino en la Casa de Campo, el Palacio de Aranjuez o el Monasterio de El Escorial y realizó las trazas del Cuartel de Guardias Walonas de Leganés, donde ahora se encuentra la sede de la Universidad Carlos III; de igual forma trabajó fuera de Madrid, en ciudades como Segovia, Valladolid, Burgo de Osma o Santander y, en definitiva, desarrolló proyectos por todo el reino: la estructura defensiva de la ciudad de Manila, la fortificación de Cavite o la ciudad nueva de Guatemala.
En su faceta como ingeniero, Sabatini llevó a cabo uno de los proyectos clave del reinado Carlos III: las «Instrucciones de alcantarillado, empedrado y limpieza de la corte». Se instalaron tuberías de desagüe, canalizaciones y pozos negros y se pavimentaron las aceras. Todas estas acciones dotaron a las vías madrileñas de un aspecto más digno y, sobre todo, más higiénico.
Tras una prolífica carrera, Francisco Sabatini falleció en Madrid el 19 de noviembre de 1797. Dejó un inmensurable legado arquitectónico, a pesar de que varias de sus obras no han llegado hasta nuestros días.
La confianza por parte de Carlos III de la que disfrutó Sabatini, así como la posibilidad de contar con un gran equipo, entre los que se encontraban sus cuñados, Pedro y Francisco Vanvitelli, junto a otros arquitectos, aparejadores, técnicos y artesanos le proporcionaron la justa fama que alcanzó durante su trayectoria.
Sin embargo, a lo largo de la historia su estilo arquitectónico no ha sido siempre elogiado. Su doble formación como arquitecto e ingeniero militar condicionó en gran medida la lectura de sus trabajos, que se llegaron a calificar de fríos, austeros y faltos de ornamento arquitectónico. No obstante, es necesario comprender el complicado momento estilístico que vivió Sabatini, una época de transición entre el ornamento Barroco y la sobriedad del Neoclasicismo. En este sentido, sus trabajos responden perfectamente al ideal ilustrado de renovación que con ahínco perseguía Carlos III y a la ciudad monumental que el monarca quiso proyectar durante su reinado. La doble formación de Francisco, lejos de plantearle dilemas, le permitió ser muy versátil en cada encargo y conseguir el difícil equilibrio entre la monumentalidad, la modernidad y el ornamento.