Окончил Кембриджский университет (1939). С 1940 года работает там же. Докторская степень с 1943. C 1951 член Медицинского исследовательского совета и руководитель лаборатории молекулярной биологии этого совета. С 1983 в отставке.
Основные работы посвящены химии белка и нуклеиновых кислот. С 1945 года Сенгер изучал структуру инсулина. Им был разработан динитро-фторбензольный метод идентификации концевых аминогрупп в пептидах, с помощью которого ему удалось установить природу и последовательность чередования аминогрупп в инсулине и расшифровать его строение (1944—1954). Сенгер установил, что инсулин имеет общую формулу C337N65O75S6, три сульфидных мостика и состоит из двух цепей: цепи A, содержащей 21 аминокислотный остаток, и цепи B, содержащей 30 аминокислотных остатков. Эти работы послужили основой для синтетического получения инсулина и других гормонов.
В 1965 году предложил метить РНК и ДНК, предназначенные для структурных исследований, радиоактивным изотопом фосфора Р, что позволило осуществлять работы с чрезвычайно малым количеством материала — 10?6 г. Установил структуру 5S PHK (120 оснований; 1967) и ДНК фага ФХ174 (5375 оснований; 1977). В 1977 предложил метод расшифровки первичной структуры ДНК, основанный на ферментативном синтезе высокорадиоактивной комплементарной последовательности ДНК на изучаемой однонитчатой ДНК как на матрице.
Член Лондонского королевского общества (с 1954). Член ряда академий наук и научных обществ. Удостоен многочисленных наград. Среди них: Королевская медаль Лондонского королевского общества (1969), премия Альберта Ласкера за фундаментальные медицинские исследования (1979), Нобелевские премии (1958; 1980).
Также в честь Фредерика назван Институт Сенгера, в котором проводятся геномные исследования.