Tema muzicală a filmului „Love Story”, lansat în 1970, cu Ryan O’Neal și Ali MacGraw, a fost un hit și i-a adus lui Lai un premiu Oscar și un Glob de Aur.
Inițial, Lai a refuzat oferta de a compune coloana sonoră a filmului care a marcat generații de americani și nu numai, a declarat compozitorul într-un interviu pentru The Los Angeles Times în 2001. Cel care l- convins în cele din urmă a fost actorul francez Alain Delon, care vizionase fragmente din acest film.
Francis Lai este autorul și unei alte teme muzicale celebre, „Dabadabada”, a filmului de artă premiat cu Palme d’Or „Un homme et une femme”, lansat în 1966 de regizorul Claude Lelouch.
De altfel, colaborarea dintre Lai și Lelouch s-a concretizat apoi în aproape 40 de proiecte – multe dintre ele romantice -, precum „Vivre pour vivre” (1967), „La bonne année ” (1973), „Bolero” (1981), „Edith et Marcel” (1983), „Un homme et une femme, 20 ans déjà” (1986) și „Chacun sa vie” (2017).
În tinerețea sa, Francis Lai a acompaniat-o pe legendara Edith Piaf, pentru care a compus și piese. De asemenea, a compus pentru Yves Montand, Mireille Mathieu, Charles Aznavour și Johnny Hallyday.