En 1931, alors élève de la West Seattle High School, elle gagne le Concours d’écriture créative avec son essai controversé God Dies (Dieu meurt). Les Services de Surveillance Nationale rapportent les faits, titrant « La fille de Seattle rejette Dieu et gagne le Premier Prix ». Elle entre à l’Université de Washington, devient membre du Théâtre dramatique et fait la connaissance de la professeur Sophie Rosenstein. Les critiques s’extasient sur son jeu d’actrice dans Helen of Troy et Alien Corn. Elle change de spécialité et passe du journalisme à la dramaturgie. En 1935, elle part pour la Russie en bateau après avoir gagné le concours du journal « Voice of Action ». Les Services de Surveillance relèvent l’histoire et qualifient Frances Farmer de communiste.
Frances reste à New York après son voyage et est découverte par un dénicheur de talents. Elle signe un contrat de sept ans avec la Paramount Pictures. En 1936, elle se marie avec l’acteur Leif Erickson (de son vrai nom William Wycliffe Anderson) et tourne dans son premier film Too Many Parents. Plus tard Frances donne la réplique à Bing Crosby dans Rhythm on the Range et à Edward Arnold dans Come and Get It. Elle est décrite comme « l’exceptionnelle trouvaille des écrans de 1936 ». En 1937, elle interprète le rôle principal dans la production théâtrale Golden Boy écrite par Clifford Odets et le premier rôle féminin dans L'Or et la Femme (The Toast of New York) de Rowland V. Lee. En 1942, elle est arrêtée pour conduite sans permis en état d’ivresse et désobéissance aux ordres dans une zone de restriction. Elle jettera le contenu d'un pot d'encre au visage du juge chargé de l'affaire, qui la fera condamner à 180 jours de détention et remise en liberté sous surveillance. Elle divorce la même année.
En 1943, elle est arrêtée pour violation de la liberté surveillée et agression. Les services sanitaires qualifient Frances de « malade mentale » et recommandent de la placer dans le sanatorium de La Crescenta. Elle y reçoit 90 traitements-choc à l’insuline (Cure de Sakel) et rentre au Western Washington State Hospital à Steilacoom d’où elle s’échappe. Sa mère, apprenant les traitements que sa fille a subi, obtient que la tutelle de sa fille soit transférée de l'État vers elle. Mais en 1944, Frances agresse sa mère qui la fait à nouveau interner. Après un séjour de trois mois, et un traitement incluant des électrochocs, Frances est déclarée guérie. En 1945 elle s’enfuit plusieurs fois de chez sa mère qui petit à petit la convainc de retourner à l’hôpital psychiatrique où elle restera les cinq années suivantes. Aurait commencé alors pour elle un véritable enfer : outre les conditions de vie médiocres, les humiliations et des traitements continuels d’électrochocs, elle aurait été prostituée de force auprès du personnel médical.
Ces éléments, parfois rapportés par Frances elle-même, sont évidemment à prendre avec précautions. Ainsi, Jean Ratcliffe, auteur de l’ouvrage « choc » qui décrit les années d’enfermement de Frances Farmer, a admis avoir exagéré certains détails. Un de ses biographes, William Arnold, affirmait que Frances avait subi une lobotomie trans-orbitaire, évènement que l'on trouve dans le film Frances, mais admit, lors d'un procès, qu'il avait inventé l'épisode et l'essentiel du contenu de son livre. De même la Scientologie a utilisé son cas dans les années 70 pour exiger l'abolition de la psychiatrie. Des enquêtes indépendantes montrèrent par ailleurs que les preuves avancées étaient fausses et que cette histoire était en contradiction avec les dossiers médicaux et l'ensemble des témoignages des médecins et infirmières de l'époque.
En 1950, Frances, relâchée, retourne à Seattle pour s’occuper de ses parents. Elle épouse Alfred Lobley en 1954 en secondes noces. En 1957, elle travaille en tant qu’employée dans un hôtel de San Francisco. En 1958, elle apparaît dans la série TV « This Is Your Life » et tourne son dernier film The Party Crashers. Elle divorce à nouveau et se marie pour la troisième fois avec Lee Mikesell et apparaît dans une autre série télévisée Tongues of Angels avec James MacArthur. Elle présente une émission de télévision d’après-midi, Frances Farmer Presents à Indianapolis jusqu’en 1964. En 1968, elle commence à travailler sur son autobiographie avec l’aide de Lois Kibbee. Deux ans plus tard, elle meurt d’un cancer de l’œsophage, à l’âge de 56 ans.