Figlia secondogenita di Luigi XII di Francia (1498-1515) e di Anna di Bretagna, cognata-cugina di Francesco I di Francia (1515-1547), Renata (Renée) nacque a Blois, in Francia, il 25 ottobre 1510. Rimasta orfana a soli cinque anni, R. fu accolta alla corte del cugino Francesco I e della moglie Claudia, sorella di R.
In quegli anni, si faceva sentire in Francia l'attività riformatrice della Chiesa cattolica locale da parte del vescovo Guillaume Briçonnet, del riformatore Guillaume Farel, e del loro maestro Jacques Le Fèvre, attività che, pur dall'interno della Chiesa e accettandone la gerarchia, ebbe comunque applicazione pratica nell'esperimento, durato solo fino al 1546, della chiesa riformata a Meaux.
Le Fèvre, il famoso umanista noto anche con il nome latinizzato di Jacobus Faber Stapulensis, autore nel 1512 dei Commentari in epistoles Sancti Pauli, nonostante le persecuzioni contro i riformati, rimase comunque intoccabile sotto la protezione personale del re di Francia, Francesco I e dell'influente sorella Margherita d'Angoulême e divenne inoltre insegnante di R., alla quale trasmise il concetto del primato della Sacra Scrittura sugli insegnamenti della Chiesa, e della salvezza sola fide.
Dopo essere stata promessa in sposa, nell'ordine, al famoso condottiero Gastone di Foix (1484-1512), a Carlo d'Austria (il futuro imperatore Carlo V: 1519-1566), all'arciduca d'Austria Ferdinando I (1521-1564), ad Enrico VIII d'Inghilterra ed al principe elettore Gioacchino II di Brandeburgo (1535-1571), R. andò finalmente in sposa al futuro Duca Ercole II d'Este (1543-1559) il 28 giugno 1528.
R. dunque, accompagnata dalla fedelissima governante Michelle de Saubise anch'essa salda nella fede riformata, dovette lasciare, a malincuore, la Francia per recarsi a Ferrara, dove iniziò a creare un punto di sicuro riferimento per tutti i protestanti italiani dell'epoca.
Infatti, la duchessa accolse e protesse molti perseguitati religiosi a corte, tra cui si ricordano Ambrogio Cavalli, Giulio Della Rovere, Celio Secondo Curione, Andrea Ghetti da Volterra, Fulvio Pellegrino Morato, Francesco Porto (1511-1581), il prete anabattista Antonio Pagano, il poeta francese Clément Marot (1496-1544), fino a Giovanni Calvino in persona, che nel 1536 si recò a Ferrara, sotto lo pseudonimo di Carlo d'Espeville, dopo aver appena pubblicato a Basilea l'opera base della sua dottrina, la Christianae religionis institutio. R. inoltre aiutò diversi riformisti in difficoltà, come nel 1542, quando fece uscire da prigione Camillo Renato.
Dal 1551 circa, o forse già da prima, R faceva celebrare regolarmente la funzione religiosa protestante della Cena del Signore, alla quale partecipò una volta Isabella Bresegna (moglie di don Garcia Manrique, governatore di Piacenza), già in contatto con i circoli valdesiani a Napoli, e convertita successivamente alla Riforma.
Il casus belli tra R. ed il marito, sempre più spiazzato dalle prese di posizione religiose della duchessa, scoppiò nel 1550, in occasione del processo e della condanna del fornaio riformato di Faenza, Fanino Fanini. Il processo si era concluso il 25 settembre 1549 con la condanna al rogo di Fanini, tuttavia il duca fu notevolmente recalcitrante nel far eseguire la sentenza, anche per un'inusitata corsa alla solidarietà e ai tentativi di far liberare il fornaio faentino da parte di illustri personaggi dell'epoca, come il famoso capitano di ventura Camillo Orsini (1491-1559), la nuora Lavinia Franciotti della Rovere Orsini e Olimpia Morato (figlia di Fulvio Pellegrino): le ultime due, probabilmente sollecitate dalla duchessa, cercarono di intercedere presso il duca nella primavera 1550 e visitarono il prigioniero in carcere per portargli l'elemosina della duchessa.
Perfino R. in persona cercò di intervenire presso il marito, ma, dopo l'elezione del nuovo papa, Giulio III (1550-1555) nel febbraio 1550, il duca fu fatto oggetto di pressioni e ricatti da parte del famigerato inquisitore cardinale Giovanni Pietro Carafa, poi Papa Paolo IV (1555-1559): Carafa minacciò che se Ercole non avesse acconsentito all'esecuzione di Fanini (che fu infatti giustiziato mediante impiccagione, seguita dal rogo, a Ferrara il 22 agosto 1550), l'Inquisitore Generale avrebbe aperto un procedimento contro la duchessa stessa.
Tuttavia fu R. stessa, oramai ben radicata nel suo credo riformato, a offrire il fianco alle critiche, quando, dopo 12 anni d'esenzione dal partecipare alla messa cattolica, nel marzo 1554 R. si oppose con fermezza a che le figlie partecipassero alla celebrazione della Pasqua. Ercole II era sempre più furibondo per quest'ostinazione della moglie, oltretutto amplificata dalle pressioni messe in atto dai Gesuiti, comandati dal rettore del Collegio di Roma, Jean Pelletier, e si vide obbligato a far chiamare dalla Francia il noto teologo, capo dell'Inquisizione francese e priore dei domenicani, Matthieu Ory (1492-1557).
La contromossa di R. di chiamare il teologo riformato e pastore della Chiesa calvinista di Parigi, François Morel, inviato da Calvino, esasperò ulteriormente il duca, che nel settembre 1554 relegò la moglie nel palazzo di San Francesco, che successivamente avrebbe preso il nome di Palazzo della Duchessa, e minacciò di rinchiudere per sempre le figlie in convento, se R. non avesse accettato di ubbidire ai precetti della Chiesa Cattolica. Obtorto collo, R. dovette accettare, anche se l'ambasciatore di Firenze alla corte estense osservò acutamente che la fede professata da R. era nella Chiesa Cattolica, in senso lato, e non certo nella gerarchia romana.
Un ulteriore tentativo di Calvino di mandare Ambrogio Cavalli per contattare la duchessa naufragò: Cavalli fu arrestato, processato e, due anni dopo, impiccato e arso sul rogo a Roma il 15 giugno 1556.
Tuttavia Ercole II, non fidandosi totalmente della "conversione" della moglie, la tenne segregata nel palazzo ducale fino alla sua (di lui) morte, avvenuta nel 1559.
Visto il perdurare dell'ostilità nei suoi confronti anche da parte del figlio e nuovo duca Alfonso II (1559-1597), Renata lasciò Ferrara nel 1560 per trasferirsi nel suo castello di Montargis in Francia. Durante il suo viaggio verso la Francia, R. si fermò a Savigliano il 7 ottobre 1560 per cercare di perorare, inutilmente, la causa dei valdesi presso il duca di Savoia, Emanuele Filiberto (1559-1580).
Giunta a Montargis, R. continuò da qui a proteggere la causa calvinista, accogliendo nel novembre 1567 i riformatori profughi lucchesi, come Michele Burlamacchi e Pompeo Diodati. Tuttavia, anche a Montargis, R. dovette subire angherie da parte delle fazioni cattoliche francesi, e nel 1562 il suo castello fu perfino posto sotto assedio da parte delle truppe di suo genero, Francesco, duca di Guisa (1550-1563).
R. morì a Montargis il 13 giugno 1575.