Katolska konspirationer och den spanska Armada
Dessa hemliga ansträngningar skulle leda direkt till exponering av två mer allvarliga tomter för att avsätta Elizabeth och återställa katolisismen till England. En spion i den franska ambassaden i London - som troligen har identifierats som Giordano Bruno (skriver under pseudonymen Henry Fagot), en förfluten Dominikansk friar som senare skulle uppnå kändhet som en fristänkande filosof av den italienska renässansen - varnade Walsingham till hemlig korrespondens med Mary som dirigerades genom ambassaden. Komplottet bröts med arrestationen av chefen mellan Francis Throckmorton i november 1583. I hans besittning var kriminella dokument, inklusive en karta över invasionshamnar och en lista över katolska supportrar i England. Under tortyr avslöjade Throckmorton en plan för invasionen av England av spanska och franska trupper i samverkan med en stigning av Marias anhängare. Den spanska ambassadören förvisades och diplomatiska kontakter med Spanien avbröts.
Den andra konspirationen, Babington Plot (uppkallad efter konspiratören Anthony Babington), exponerades i augusti 1586 med hjälp av Walsinghams dubbla agenter och kodexperter, som, ovetande om Marys agenter, faktiskt levererade sina medel för att kommunicera med Mary via kodade brev smugglade inuti en ölfat. Breven fastställde Marias medverkan i ansträngningen att avsätta Elizabeth, vilket ledde till Marias rättegång, övertygelse och avrättande.
Walsinghams underrättelsearbete skulle också vara ett instrument i det kommande kriget med Spanien. Han hjälpte till att maskera förberedelserna för Sir Francis Drakes överraskningsattack på Cádiz hamn i april 1587 genom att mata en medvetet falsk rapport om Drakes planer till den engelska ambassadören i Paris, som Walsingham korrekt hade antagit var i spanska. Walsinghams många spioner lämnade detaljerade rapporter om spanska förberedelser för seglingen av Armadaen mot England i juli 1588.
Walsingham gifte sig två gånger (båda gångerna med änka kvinnor): till Anne Barnes Carleill (ibland stavat Carlyle) 1562 och, efter hennes död, med Ursula St. Barbe Worseley 1566. Hans dotter Frances (1567–1632) gifte sig i följd två av de mest framstående figurerna i Elizabeths inre krets: poeten och hovmästaren Sir Philip Sidney (1583) och Robert Devereux, den andra jarlen av Essex (1590), en favorit av Elizabeths som avrättades för förräderi 1601 efter ett abortivt kuppförsök. (Hennes tredje man var Richard Burke, fjärde jarlen från Clanricarde.) Walsingham beviljades ett antal lukrativa preferenser och gods från kronan, inklusive herrgården i Barn Elms, nära Richmond Palace. Men han dog tydligen i betydande skulder, delvis från att ha tagit på skulderna i Sidneys gods.
