Graduat a la Universitat de Cambridge el 1938, fou educat en l’església quàquera, i en la Segona Guerra Mundial es declarà objector de consciència (bé que posteriorment evolucionà vers l’agnosticisme) i li fou permès completar els estudis de doctorat, que obtingué el 1943. Tota la seva vida professional estigué centrada en l’estudi de les proteïnes, que dugué a terme fins el 1962 a la Universitat de Cambridge, i pràcticament no exercí la docència. El 1954 publicà un estudi sobre l’estructura de la insulina, en el qual introduí a més la seqüenciació, un mètode d’estudi per a identificar els aminoàcids que fou d'una gran utilitat en l’estudi de les proteïnes i en la genètica en general. Per aquest descobriment rebé el premi Nobel de química l’any 1958.
Entre el 1962 i el 1983 treballà al British Medical Research Council, on amb el seu equip es dedicà a escatir l’estructura de l’ADN, una proteïna molt més complicada, per a la qual desenvolupà un nou sistema de seqüenciació considerablement més eficient (conegut per mètode de Sanger) molt utilitzat per a la descodificació dels genomes més complicats, entre els quals cal incloure els de l’espècie humana, i especialment apte per a funcionar com un programa informàtic. Pel desenvolupament d’aquest mètode rebé el premi Nobel per segon cop l’any 1980, que compartí amb Paul Berg i Walter Gilbert. El 1977 descodificà la primera seqüència genòmica, la d’un virus, composta de més de 5.000 parelles de bases, i posteriorment descodificà la dels mitocondris. Fou també guardonat amb altres premis, com ara l’Albert Lasker (1979) i l’Orde del Mèrit Britànic (1986).