Spiski katolickie i hiszpańska Armada
Te tajne wysiłki doprowadziłyby bezpośrednio do ujawnienia dwóch poważniejszych spisek zmierzających do obalenia Elżbiety i przywrócenia katolicyzmu do Anglii. Szpieg w ambasadzie francuskiej w Londynie - który prawdopodobnie został zidentyfikowany jako Giordano Bruno (piszący pod pseudonimem Henry Fagot), zepsuty brat dominikański, który później zyskał sławę wolnomyślącego filozofa włoskiego renesansu - zaalarmował Walsingham o tajnej korespondencji z Mary, która była kierowana przez ambasadę. Spisek został zerwany aresztowaniem głównego pośrednika Francisa Throckmortona w listopadzie 1583 r. W jego posiadaniu znajdowały się obciążające dokumenty, w tym mapa portów inwazyjnych i lista katolickich zwolenników w Anglii. Pod torturami Throckmorton ujawnił plan inwazji na Anglię przez wojska hiszpańskie i francuskie w zgodzie z powstaniem wyznawców Maryi. Ambasador Hiszpanii został wydalony, a kontakty dyplomatyczne z Hiszpanią zerwane.
Drugi spisek, spisek Babington (nazwany na cześć spiskowca Anthony'ego Babingtona), został ujawniony w sierpniu 1586 r. Z pomocą podwójnych agentów Walsinghama i ekspertów od kodu, którzy, bez wiedzy agentów Mary, faktycznie dostarczali środki komunikacji z Mary za pomocą zakodowanych listów przemycony do beczki z piwem. Listy potwierdzają współudział Maryi w staraniach o obalenie Elżbiety, prowadząc do procesu Marii, jej przekonania i egzekucji.
Praca wywiadowcza Walsinghama miałaby również zasadnicze znaczenie w nadchodzącej wojnie z Hiszpanią. Pomógł ukryć przygotowania do niespodziewanego nalotu Sir Francisa Drake'a na port w Kadyksie w kwietniu 1587 r., Przekazując celowo fałszywy raport o planach Drake'a ambasadorowi Anglii w Paryżu, który, jak słusznie podejrzewał Walsingham, był na koszt Hiszpanów. Liczne szpiedzy Walsinghama dostarczyły szczegółowe raporty o hiszpańskich przygotowaniach do żeglugi Armady przeciwko Anglii w lipcu 1588 r.
Walsingham był dwukrotnie żonaty (za każdym razem z owdowiałymi kobietami): z Anne Barnes Carleill (czasami pisaną Carlyle) w 1562 r., A po jej śmierci z Ursulą St. Barbe Worseley w 1566 r. Jego córka Frances (1567–1632) wyszła za mąż kolejno z najbardziej znanych postaci z wewnętrznego kręgu Elizabeth: poety i dworzanina Sir Philipa Sidneya (1583) i Roberta Devereux, 2. hrabiego Essex (1590), ulubieńca Elizabeth, która została stracona za zdradę w 1601 roku po nieudanej próbie zamachu stanu. (Jej trzecim mężem był Richard Burke, 4. hrabia Clanricarde.) Walsingham otrzymał wiele lukratywnych upodobań i posiadłości od korony, w tym dwór Barn Elms, niedaleko Richmond Palace. Ale najwyraźniej zmarł w długach, po części z powodu przejęcia długów majątku Sidneya.
