Jean Frédéric Joliot néven, egy hatgyermekes család legkisebb fiaként látta meg a napvilágot Párizsban. Apja fiatalon a Párizsi Kommün oldalán harcolt, majd textil-nagykereskedőként találta meg boldogulását, anyai nagyapja republikánus meggyőződésű protestáns volt, de ez nem akadályozta meg abban, hogy III. Napóleon konyhafőnöke legyen. Frédéric közepes tanuló volt, figyelmét kizárólag a labdarúgás és a Verne-könyvek kötötték le. A kamaszkor elmúltával érdeklődése a természettudományok felé fordult, 1923-ban a párizsi Fizikai és Kémiai Műszaki Főiskolán évfolyamelsőként szerzett mérnöki diplomát.
Egy luxemburgi acélműben helyezkedett el, majd letöltötte katonaidejét. Leszerelése után nem akart ismét az iparban dolgozni. Egykori professzora, Paul Langevin 1925-ben beajánlotta Marie Curie Radiológiai Intézetébe, ahol munkatársa lett Irène Curie, a Nobel-díjas Curie házaspár leánya. A fiatalok egymásba szerettek, 1926. október 9-én összeházasodtak. Vezetéknevüket Joliot-Curie-re változtatták, hogy továbbvigyék a tudományban oly jól csengő Curie nevet. Két gyermekük született.
Frédéric tudományos pályáján a legnagyobb sikert feleségével együtt érte el. A radioaktivitást kutatták, a férj a téma kémiai, a feleség a fizikai aspektusára összpontosított. Felfedezték a nitrogén, a foszfor és az alumínium radioaktív izotópjait, kimutatták a radiojód abszorpcióját a pajzsmirigyben.
Hajszál híján megtalálták a rég keresett neutront, az angol James Chadwick azonban 1932-ben megelőzte őket, nem sokkal később a pozitront pedig az amerikai Carl David Anderson fedezte fel.
A házaspár megfigyelte a neutronok és a pozitív elektronok termelődését, és 1934-ben az alumínium alfa-részekkel való bombázásakor felfedezték a mesterséges radioaktivitást, és egy évvel később az „új elemek előállításának radioaktív kémiájában végzett munkájukért” kémiai Nobel-díjat kaptak. (Mai napig az egyetlen kémiai Nobel-díjas házaspárként jegyzik őket.) A radioaktivitás mesterséges formájának felfedezése és nukleáris reakcióval történő előállítása új korszakot nyitott a világtörténelemben. Frédéricet 1935-ben a Sorbonne rendkívüli professzorává nevezték ki, 1937-től a College de France professzora és a La Caisse nationale des sciences igazgatója volt. Professzori tevékenységét és vagyonát új sugárforrások kifejlesztésére fordította.
A II. világháború alatt, Franciaország megszállása után családjával az országban maradt, hogy megbizonyosodjon arról, a laboratóriumába érkező németek nem használják fel sem a munkáját, sem a felszerelését. Ebben az időszakban főleg biológiával foglalkozott. 1941 júniusában részt vett a Nemzeti Frontbizottság megalakításában, amelynek elnöke lett, 1942-ben pedig csatlakozott a Francia Kommunista Párthoz.
1944-ben felesége a gyerekekkel Svájcba menekült.
A háború után a Becsületrend parancsnoki fokozatával, a Háborús kereszttel tüntették ki, és katonai rendfokozatot is kapott. 1946-ban az akkor alapított Francia Atomenergia-bizottság főbiztosává nevezték ki, és rendelkezésére bocsátották a chatilloni erődöt. 1948. december 15-én itt helyezték üzembe az első francia atomreaktort, a ZOE-t (zéro, oxyde d'uranium, eau lourde – zérus, urán-oxid, nehézvíz), 1949-ben pedig irányítása alatt Saclay-ben atomkutató intézetet építettek.
1944-től volt tagja a Francia Tudományos Akadémiának. Számos akadémia és tudományos testület is tagjai sorába választotta, a Magyar Tudományos Akadémiának 1953-tól volt külső tagja. Tudományos jelentősége megkérdőjelezhetetlen, politikai szerepvállalását viszont élénken vitatják: a hidegháború éveiben részt vett a Szovjetunió által támogatott békemozgalomban. 1950-ben egyik kezdeményezője volt az atomenergia háborús felhasználását elítélő stockholmi felhívásnak, és támadta a francia kormány politikáját.
1951-ben a Békevilágtanács elnökévé választották, és Sztálin-békedíjat is kapott. Ettől az időtől kezdve a le Centre national de la recherche scientifique (CNRS) atomfizikai részlegét vezette, majd 1956-ban – felesége halála után – átvette a Sorbonne magfizikai és radioaktivitás tanszékét és a Rádium Intézetet. Utolsó éveiben már betegen Orsay-ban, a Paris-Saclay Egyetemen természettudományi kart hozott létre, és elindította a magfizikai intézet építését. Az ottani kutatások megindulását még megérte, 1958. augusztus 14-én hunyt el Párizsban.
Életüket 2009-ben a Kilépni az árnyékból – Irène és Frédéric Joliot-Curie története című film dolgozta fel. Gyermekeik is neves tudósok lettek, lányuk, Helène Langevin-Joliot atomfizikus (97 éves), fiuk, Pierre Joliot biofizikus (93 éves).
