Née en Angleterre, Frances O'Connor n'y reste que deux ans, et passe toute son enfance en Australie. Elle étudie la comédie à la "West Australia Academy for the Performing Art". Elle commence sa carrière par des apparitions dans quelques séries télés et téléfilms avant de faire ses débuts sur grand écran en 1996. Cette année-là, elle tient l'un des deux rôles principaux de la comédie romantique australienne Love and Other Catastrophes. Sa performance lui vaut une première nomination comme meilleure actrice à l'Institut du Film Australien.
Le thriller Kiss or Kill (1997), dont elle est l'héroïne, connaît un certain succès en Australie et dans le reste du monde. Elle enchaîne ensuite des projets assez divers qui lui permettent de côtoyer Cate Blanchett, Geoffrey Rush ou Kate Hudson. Elle se découvre vite une prédilection pour la comédie, où elle excelle, notamment dans Endiablé (2000), sous la direction de Harold Ramis. Elle y tient le rôle de la femme que cherche à séduire Brendan Fraser. Frances O'Connor débute ainsi une carrière américaine, et change de registre.
Le rôle de la maturité lui est offert par Steven Spielberg dans A.I. Intelligence artificielle (2001). Frances O'Connor y joue le rôle d'une mère qui décide d'abandonner son petit enfant artificiel qui commence à l'effrayer. Dans Windtalkers, les messagers du vent (2002) de John Woo, elle est l'infirmière qui tente d'apaiser les souffrances de Nicolas Cage. La même année, on la retrouve en femme séduite dans L'Importance d'être constant de Oliver Parker (d'après Oscar Wilde).
La britannique s'illustre par la suite notamment à la TV dans les séries Cashmere Mafia, Vegas aux côtés de Dennis Quaid, Mr. Selfridge ou The Missing. Elle est également à l'affiche de DTV comme Le chasseur avec Willem Dafoe et Sam Neill ou le film d'épouvante Mercy. Plusieurs projets prometteurs n'ont malheureusement pas connu de sorties en salles en France comme le drame La vérité sur Emanuel, porté par Kaya Scodelario et Jessica Biel et Best Man Down avec Justin Long. La carrière de Frances reprend du poil de la bête en 2016 avec sa participation au long-métrage d'horreur Conjuring 2, suite du premier opus ayant connu un grand succès.