Conspiracions catòliques i l'Armada espanyola
Aquests esforços secrets conduirien directament a l'exposició de dos complots més greus per dipositar Elizabeth i restaurar el catolicisme a Anglaterra. Un espia de l’ambaixada francesa a Londres —que és versemblantment identificat com Giordano Bruno (escrivint sota el pseudònim Henry Fagot), un frare dominicà que després aconseguiria renom com a filòsof lliure del Renaixement italià— va alertar a Walsingham de la correspondència clandestina amb Maria que estava sent conduïda per l'ambaixada. La trama es va trencar amb l'arrest del principal cap entrevistes, Francis Throckmorton, el novembre de 1583. En el seu poder hi havia documents incriminatoris, inclòs un mapa dels ports d'invasió i una llista de partidaris catòlics a Anglaterra. Sota la tortura, Throckmorton va revelar un pla per a la invasió d'Anglaterra per part de les tropes espanyoles i franceses, en concert amb un augment dels seguidors de Maria. L'ambaixador espanyol va ser expulsat i es van frenar els contactes diplomàtics amb Espanya.
La segona conspiració, la Babington Plot (anomenada per al conspirador Anthony Babington), va ser exposada l’agost de 1586 amb l’ajut dels agents de dobles i experts en codi de Walsingham, que, desconeguts dels agents de Maria, proveïen de fet els seus mitjans de comunicació amb Mary mitjançant cartes codificades. contraban dins d’un barril de cervesa. Les cartes establien la complicitat de Maria en l'esforç de dipositar Elizabeth, conduint al judici, condemna i execució de Maria.
El treball d'intel·ligència de Walsingham també resultarà fonamental en la pròxima guerra amb Espanya. Va ajudar a emmascarar els preparatius per a la incursió sorpresa de Sir Francis Drake al port de Cadis l’abril de 1587, aportant un informe deliberadament fals sobre els plans de Drake a l’ambaixador anglès a París, que Walsingham havia cregut correctament que estava a la paga dels espanyols. Els nombrosos espies de Walsingham van proporcionar informes detallats de les preparacions espanyoles per a la navegació de l'Armada contra Anglaterra el juliol de 1588.
Walsingham es va casar dues vegades (ambdues vegades amb dones vídues): amb Anne Barnes Carleill (de vegades deletrada Carlyle) el 1562 i, després de la seva mort, amb Ursula St. Barbe Worseley, el 1566. La seva filla Frances (1567-1632) es va casar dos successivament. de les figures més destacades del cercle interior d’Elisabeth: el poeta i cortesà Sir Philip Sidney (1583) i Robert Devereux, el segon comte d’Essex (1590), el favorit d’Elizabeth que va ser executat per traïció el 1601 després d’un intent de cop d’abort. El seu tercer marit era Richard Burke, quart comte de Clanricarde. A Walsingham, se li van atorgar diversos beneficis i finques de la corona, inclosa la mansió de Barn Elms, a prop del palau de Richmond. Però, aparentment, va morir en un deute considerable, en part per haver assumit els deutes de la propietat de Sidney.
