Cospirazioni cattoliche e Armada spagnola
Quegli sforzi segreti porterebbero direttamente all'esposizione di due complotti più seri per deporre Elisabetta e ripristinare il cattolicesimo in Inghilterra. Una spia nell'ambasciata francese a Londra — che è stata plausibilmente identificata come Giordano Bruno (scrivendo sotto lo pseudonimo di Henry Fagot), un frate domenicano decaduto che in seguito avrebbe raggiunto la fama di filosofo libero del Rinascimento italiano — avvertì Walsingham di fare una corrispondenza clandestina con Mary che veniva instradata attraverso l'ambasciata. La trama fu spezzata con l'arresto del principale intermediario, Francis Throckmorton, nel novembre 1583. In suo possesso c'erano documenti incriminanti, tra cui una mappa dei porti di invasione e un elenco di sostenitori cattolici in Inghilterra. Sotto tortura, Throckmorton ha rivelato un piano per l'invasione dell'Inghilterra da parte delle truppe spagnole e francesi in concerto con un aumento dei seguaci di Mary. L'ambasciatore spagnolo fu espulso e divisi i contatti diplomatici con la Spagna.
La seconda cospirazione, il Babington Plot (chiamato per il cospiratore Anthony Babington), fu esposto nell'agosto del 1586 con l'aiuto dei doppi agenti e esperti di codice di Walsingham, che, all'insaputa degli agenti di Mary, stavano effettivamente fornendo i loro mezzi per comunicare con Mary tramite lettere codificate contrabbandato all'interno di una botte di birra. Le lettere stabilirono la complicità di Maria nello sforzo di deporre Elisabetta, portando al processo, alla condanna e all'esecuzione di Maria.
Anche il lavoro di intelligence di Walsingham si sarebbe rivelato determinante nella prossima guerra con la Spagna. Aiutò a mascherare i preparativi per l'incursione a sorpresa di Sir Francis Drake nel porto di Cadice nell'aprile del 1587, fornendo deliberatamente un rapporto falso sui piani di Drake all'ambasciatore inglese a Parigi, che Walsingham aveva giustamente ipotizzato fosse nella paga degli spagnoli. Le numerose spie di Walsingham fornirono rapporti dettagliati sui preparativi spagnoli per la navigazione dell'Armada contro l'Inghilterra nel luglio 1588.
Walsingham si sposò due volte (entrambe le volte con donne vedove): con Anne Barnes Carleill (a volte scritta Carlyle) nel 1562 e, dopo la sua morte, con Ursula St. Barbe Worseley nel 1566. Sua figlia Frances (1567–1632) si sposò in successione due delle figure più importanti della cerchia interna di Elisabetta: il poeta e cortigiano Sir Philip Sidney (1583) e Robert Devereux, il 2º conte di Essex (1590), un favorito di Elisabetta che fu giustiziato per tradimento nel 1601 in seguito a un fallito colpo di stato. (Il suo terzo marito era Richard Burke, quarto conte di Clanricarde.) A Walsingham furono concessi una serie di preferenze e proprietà lucrose dalla corona, incluso il maniero di Barn Elms, vicino a Richmond Palace. Ma a quanto pare è morto in considerevole debito, in parte per aver assunto i debiti del patrimonio di Sidney.
