1098 wurde das heutige Franzenheim urkundlich erwähnt, mit der Namensform „Brumtesma“. In einer weiteren Urkunde um 1110 heißt es „Brantisma“. Im 13. Jahrhundert folgen die Namensformen „Warantisme“ und dann im 14. Jahrhundert „Frantissem, Francissem, Frantisheim“ usw.
Der Namensforscher Wolfgang Jungandreas deutet die Form „Brantisma“ – allerdings mit einem Fragezeichen – als „Gegend wo Elche vorkommen“ und damit, weil in dem Ortsnamen die gallische Wurzel „brantos = Elenochse“ enthalten sein kann, als einen aus der Zeit der Treverer stammenden Ortsnamen. Falls diese Deutung richtig ist, war die Franzenheimer Gegend schon in vorrömischer Zeit besiedelt.
Eindeutige Siedlungsspuren gibt es aus der Periode der Römerherrschaft. 1903 führten die Franzenheimer Bauern im Talbereich des Franzenheimer Baches, etwa 3 km Richtung Kernscheid, am Westhang des Tales eine Raubgrabung durch, bei der das Provinzialmuseum (heute Landesmuseum) noch rechtzeitig eingreifen und vier sehr schöne Porticus-Säulen aus weißem Sandstein, sowie zwei Kupfermünzen (2. und 4. Jahrhundert) für das Museum sichern konnte. Die Reste des Eingangsbereichs (Porticus) der römischen Villa die mit einer Badeanlage ausgestattet war, bilden heute das Glanzstück im Raum 15 des Museums (Römische Landwirtschaft). Zahlreiche weitere Funde (Bleikiste auf einem römischen Gräberfeld gefunden „auf Fliß“ östlich der Straße nach Pluwig, eine Aschenkiste aus grauem Sandstein mit Inschrift, genauer Fundort (1866) unbekannt, zwei Steinsarkophage neben dem Thein-Haus Nr. 10) lassen vermuten, dass im Ortsbereich eine weitere römische „Villa rustica“ (Bauernhof) bestand. Zu ihren Einwohnern könnten der in der Inschrift auf der Sandsteinkiste genannten Germanus und seine Frau Diucia gehört haben. Sie wären dann die ersten namentlich genannten Franzenheimer.
Die Überlieferung des treverischen Ortsnamens deutet darauf hin, dass die Besiedlung in der Spätantike und im frühen Mittelalter nicht völlig unterbrochen wurde und auch die Franken als die neuen Herren die relativ guten Möglichkeiten für Siedlung, Ackerbau und Viehzucht nutzten, auch wenn die schriftlichen Quellen darüber schweigen.
Der wichtigste Grundherr, dem die Franzenheimer Bauern im Mittelalter Dienste und Abgaben leisten mussten, war das Nonnenkloster St. Irminen-Oeren in Trier. Die Mühle (1294 erwähnt) auf der linken Seite des Franzenheimer Baches und zwei bis drei Bauernhöfe, ebenfalls auf der Westseite, gehörten zur Grundherrschaft bzw. Meierei Pellingen in der großen Grund- und Gerichtsherrschaft des Benediktinerklosters St. Matthias-Eucharius um den Benrather Hof. Beim jährlichen Gerichts- und Dingtag auf dem Benrather Hof, wo die Schöffen zusammenkamen, erhielten die Franzenheimer eine Extraverköstigung (Brot und Knoblauch).
Die Landeshoheit in der Herrschaft Franzenheim, zu der auch Kernscheid gehörte, gewann das Trierer Domkapitel; die Einkünfte hieraus bezog der Dompropst. Zusammen mit Ollmuth bildete Franzenheim die Pfarrei st. Thomas; die Kirche wurde 1794 zerstört.
Im Mittelalter war Franzenheim immer eines der kleinsten und ärmsten Dörfer der Gegend. Es gab zehn bis zwölf Bauernstellen, die überwiegend Viehzucht, Weide und Waldwirtschaft betrieben. Die Ackerflächen waren gering. Von 1539 existiert eine genaue Beschreibung der Gemarkung. Am Ende des 16. Jahrhundert wurden drei Franzenheimer Frauen als Hexen angeklagt. Ob sie verbrannt wurden, ist nicht sicher. 1630 sind 18-21 Haushalte in Franzenheim anzunehmen.
Die schweren Verluste im dreißigjährigen Krieg dürften erst hundert Jahre später wieder ausgeglichen worden sein. Um die Mitte des 18. Jahrhunderts wanderten drei Franzenheimer Familien (Franzen Johann, Müller Mathias, Philips Mathias) nach Neubeschenowa im Banat (heute Rumänien) aus. 1787 zählte das Dorf Franzenheim 36 Familien, ca 175 Personen. Einen gewissen Aufschwung brachte die Eisengräberei im 19. Jahrhundert (zwei Bergstollen sind heute noch erhalten) und die Lohegewinnung. Die charakteristischen Zwergeichen prägen noch heute das Franzenheimer-Kernscheider Tal.
In der Mitte des 19. Jahrhunderts gab es zu den einzelnen Dörfern „Neckreime“. So auch zu Franzenheim. Dieser Neckreim lautet: „In Franzem, wo de Kälwer danzen, wo de Kaatzen Stiefeln trehn und de Hihner barwes gehn.“
