Katolička zavjera i španjolska Armada
Ti tajni napori vodili bi izravno do otkrivanja dvije ozbiljnije zavjere o svrgavanju Elizabete i vraćanju katoličanstva u Englesku. Špijun u francuskoj ambasadi u Londonu - koji se vjerovatno identificirao kao Giordano Bruno (piše pod pseudonimom Henry Fagot), zatečeni dominikanski fratar koji će kasnije steći ugled kao slobodoumni filozof talijanske renesanse - upozorio je Walsingham na tajno dopisivanje s Marije koja je preusmjerena kroz ambasadu. Zaplet je razbijen uhićenjem glavnog policajca, Francisca Throckmortona, u studenom 1583. godine. U njegovom su vlasništvu bili inkriminirajući dokumenti, uključujući kartu luka invazije i popis pristaša katolika u Engleskoj. Pod mučenjem, Throckmorton je otkrio plan za invaziju španjolskih i francuskih trupa na Englesku u kombinaciji s usponom Marijinih sljedbenika. Španjolski veleposlanik protjeran je i diplomatski kontakti sa Španijom prekinuti.
Druga zavjera, Babingtonovo zemljište (nazvano za zavjerenika Anthonyja Babingtona), razotkrivena je u kolovozu 1586. godine uz pomoć dvostrukih agenata i stručnjaka za kodiranje Walsinghama, koji su, nesposobni za Marijine agente, zapravo opskrbljivali sredstva komunikacije s Marijom kodiranim slovima prokrijumčaren u bačvu s pivom. Pisma su utvrdila Marijinu saučesništvo u nastojanju da svrgne Elizabetu, što je dovelo do suđenja, osude i pogubljenja Marije.
Walsinghamov obavještajni rad također bi se pokazao ključnim u narednom ratu sa Španjolskom. Pomogao je u prikrivanju priprema za iznenadni napad sira Francisca Drakea na luku Cádiz u travnju 1587., upućujući namjerno lažnu prijavu o Drakeovim planovima engleskom veleposlaniku u Parizu, za kojeg je Walsingham točno rekao da plaća Španjolce. Brojni špijuni Walsinghama pružili su detaljna izvješća o španjolskim pripremama za plovidbu Armade protiv Engleske u srpnju 1588.
Walsingham je bio oženjen dva puta (oba puta udovice): Anne Barnes Carleill (ponekad pisana Carlyle) 1562. godine, a nakon njezine smrti Ursula St. Barbe Worseley 1566. Njegova kći Frances (1567–1632) udala se zaredom dvije od najistaknutijih ličnosti Elizabetinog unutarnjeg kruga: pjesnika i dvorjaka Sir Philipa Sidneyja (1583.) i Roberta Devereuxa, drugog grofa Essexa (1590.), miljenika Elizabetinog, koji je pogubljen u izdaji 1601. nakon pokušaja abortivnog puča. (Njezin je treći suprug bio Richard Burke, četvrti grof Clanricardea.) Walsingham je dobio niz unosnih sklonosti i imanja iz krune, uključujući i dvorac Barn Elms, u blizini palače Richmond. Ali očito je umro u velikom dugu, dijelom i od toga što je preuzeo dugove Sidneyevog imanja.
