Enligt lokala myndigheter deltog mer än 600.000 troende i friluftsgudstjänsten nära huvudstaden Dili. Det offentliga livet i landet var praktiskt taget förlamat.
Den totala befolkningen i Östtimor är omkring 1,5 miljoner människor.
Östtimor, som förklarade sig självständigt från Indonesien 2002, är tillsammans med Filippinerna de enda länderna i Sydostasien med en katolsk befolkningsmajoritet.
Påvens besök stängde alla regeringskontor under tre dagar, liksom skolor och praktiskt taget alla affärer.
Före påvens besök framfördes kritik mot att staten hade konfiskerat flera hektar mark på grund av mässan på det öppna området.
Enligt frivilligorganisationer har mer än 180 familjer tvingats flytta. Det förekom också protester mot kostnaderna som uppgick till flera miljoner.
I Östtimor lever en stor del av befolkningen i fattigdom. I sin predikan varnade Franciskus för att lämna de fattiga åt sitt öde.
President José Ramos-Horta, som tilldelades Nobels fredspris 1996 tillsammans med biskop Carlos Filipe Ximenes Belo, deltog också i mässan.
Biskopen har under tiden blivit en oönskad figur: efter anklagelser om sexuella övergrepp mot barn har han sanktionerats av Vatikanen och syns knappt till offentligt.
Trots detta är C.F.X. Belo fortfarande en favorit hos en stor del av befolkningen. Franciskus nämnde inte skandalen i sin predikan.
På onsdag reser den 87-årige påven vidare till Singapore och kommer tillbaka till Rom på fredag.
Han har redan besökt Indonesien och Papua Nya Guinea under denna 12-dagarsresa.
