Katoliške zarote in španska Armada
Ta tajna prizadevanja bi neposredno pripeljala do razkritja dveh resnejših zapletov o odpravi Elizabete in vračanju katolicizma v Anglijo. Vohun v francoskem veleposlaništvu v Londonu - ki je bil verjetno identificiran kot Giordano Bruno (piše pod psevdonimom Henry Fagot), zapuščeni dominikanski brat, ki bo pozneje dosegel sloves kot svobodomiselni filozof italijanske renesanse - opozorila Walsinghama na tajno dopisovanje z Marijo, ki je bila speljana skozi veleposlaništvo. Zaplet je bil prekinjen z aretacijo glavnega napadalca Francisca Throckmortona novembra 1583. V njegovi lasti so bili inkriminirajoči dokumenti, vključno z zemljevidom vdorovskih pristanišč in seznam katoliških podpornikov v Angliji. Throckmorton je pod mučenjem razkril načrt za invazijo v Anglijo španskih in francoskih vojakov v sozvočju z vzponom Marijinih privržencev. Španskega veleposlanika so izgnali in prekinili diplomatske stike s Španijo.
Druga zarota, parcela Babington (imenovana za zarotnika Anthonyja Babingtona), je bila razkrita avgusta 1586 s pomočjo dvojnih agentov in poznavalcev kode Walsingham, ki so, neznano za Marijine zastopnike, dejansko oskrbovali svoja sredstva za komunikacijo z Marijo prek kodiranih pisem tihotapljen v sodu s pivom. Pisma so vzpostavila Marijino sostorilstvo pri prizadevanju za odvzem Elizabete, kar je vodilo k sojenju, obsodbi in usmrtitvi Marije.
Obveščevalno delo Walsinghama bi se izkazalo tudi za prihodnjo vojno s Španijo. Pomagal je prikriti priprave na presenečen napad na gospoda Francisca Drakeja na pristanišče Cádiz aprila 1587, tako da je angleškemu veleposlaniku v Parizu namerno lažno poročal o Drakeovih načrtih, za katerega je Walsingham pravilno domneval, da je plačal Španci. Številni vohuni Walsinghama so podrobno poročali o španskih pripravah na plovbo Armade proti Angliji julija 1588.
Walsingham je bil poročen dvakrat (obakrat z ovdovemi ženskami): z Anne Barnes Carleill (včasih pisala Carlyle) leta 1562 in po njeni smrti z Ursulo St. Barbe Worseley leta 1566. Njegova hči Frances (1567–1632) se je poročila dve zaporedni najpomembnejših oseb iz Elizabethinega notranjega kroga: pesnika in dvorjana Sir Philip Sidney (1583) in Roberta Devereuxa, 2. grofa Essexa (1590), priljubljenega Elizabethinega, ki je bil leta 1601 usmrčen zaradi poskusa državnega udara. (Njen tretji mož je bil Richard Burke, četrti grof Clanricardeja.) Walsinghamu so podelili številne donosne preference in posestva iz krone, vključno z graščino Barn Elms v bližini palače Richmond. A očitno je umrl v velikem dolgu, deloma od tega, ker je prevzel dolgove Sidneyjeve zapuščine.
