Frances Sternhagen urodziła się w Waszyngtonie. Uczęszczała do Vassar College, gdzie została wybrana przewodnicząca klubu dramatycznego. Później kontynuowała naukę w teatralnej szkole w Perry Mansfield, a potem w nowojorskim Neighbourhood Playhouse. Na Amerykańskim Katolickim Uniwersytecie poznała swego przyszłego męża, aktora oraz nauczyciela dramatu Thomasa Carlina. Karierę sceniczną rozpoczęła ucząc dzieci aktorstwa, śpiewu i tańca w Milton Academy w Massachusetts oraz występując w 1948 roku w letnim teatrze Bryna Mawra. Dalej kontynuowała pracę w jednym z waszyngtońskich teatrów w latach 1953 - 1954, w 1955 roku zadebiutowała na Broadwayu. Od tego czasu pojawiała się tam bardzo często, grając w wielu przedstawieniach. Była pięć razy nominowana do Tony Award i zdobyła jedną z tych nagród za rolę w "The Good Doctor". Inne spektakle, w których wystąpiła to m.in. "Equus", "On Golden Pond", "Angel" i "You Can't Take it With You".
Jej filmowy debiut miał miejsce w 1967 roku w filmie "W górę po schodach w dół". Od tego czasu okresowo pracowała w Hollywood. Zagrała m.in. w "Szpitalu", "Two People" oraz w produkcji "Fedora". Pojawiła się także w "Zacznijmy od nowa", z Seanem Connerym w filmie "Odległy ląd" i z Michaelem J. Foxem w "Jasnych światłach, wielkim mieście". W roku 2007 wystąpiła we "Mgle" Franka Darabonta. Wystąpiła gościnnie w serialu "Zdrówko" jako Esther Clavin, za co otrzymała dwie nominacje do nagrody Emmy. Zagrała także w produkcji "Ostry dyżur", potem w "Seks w wielkim mieście" (kolejna nominacja Emmy) i w "Prawie i porządku". Zamieszkała w New Rochelle w stanie Nowy Jork. Ma szóstkę dzieci. Niektórzy z nich stali się profesjonalnymi aktorami i muzykami.