После окончания гимназии в 1974 году был призван на военную службу в бундесвер. В 1976-м поступил в Университет имени Юстуса Либиша в Гиссене, где до 1982 года изучал сначала юридические, а затем и политические науки. С 1983-го по 1986 год проходил предзащитную юридическую практику во Франкфурте-на-Майне и в Гиссене. В 1986-м защитил докторскую диссертацию на тему "Правовое положение бездомных".
С 1986-го по 1991 год работал научным сотрудником на факультете общественного права и политологии в Университете Гиссена. В 1991-м был юрисконсультом по информационному праву и политике в отношении СМИ в госканцелярии Нижней Саксонии.
В 1993-1994 годах руководил личным бюро тогдашнего премьер-министра Нижней Саксонии Герхарда Шредера. С того момента профессиональная карьера Штайнмайера тесно переплелась с политической карьерой Шредера, доверенным лицом которого он был все семь лет правления коалиции СДПГ-"Зеленые". В 1994-1996 годах возглавлял в госканцелярии отдел политических директив, межведомственной координации и планирования. В 1996-1998-м был статс-секретарем, главой госканцелярии Нижней Саксонии.
После избрания Шредера канцлером Германии с ноября 1998-го по июль 1999-го Штайнмайер работал статс-секретарем федерального правительства, уполномоченным по координации деятельности спецслужб, а с июля 1999-го по ноябрь 2005 года так же руководителем ведомства федерального канцлера. С ноября 2005-го — министр иностранных дел Германии в коалиционном правительстве ХДС/ХСС-СДПГ. В ноябре 2007 года был утвержден вице-канцлером вместо ушедшего в отставку по семейным обстоятельствам Франца Мюнтеферинга. В октябре 2007-го к государственным должностям Штайнмайера добавился пост заместителя председателя СДПГ, членом которой он является с 1975 года.
В июне 2016-го тогдашний президент ФРГ Йоахим Гаук объявил, что не будет баллотироваться на следующий президентский срок. Штайнмайер решил претендовать на освободившееся место. Ангела Меркель поддержала его кандидатуру, а вместе с ней — 931 член бундестага из 1 260. В должность федерального президента ФРГ Франк-Вальтер вступил в марте 2017 года. В 2022-м был избран на второй президентский срок.
В политической структуре Германии бундеспрезидент — номинальное лицо. Он представляет страну на международной арене, а превосходящую власть, особенно во внутренней политике, имеет канцлер.
Штайнмайер женат, имеет дочь. В 1995 году он женился на судье Эльке Бюденбендер, с которой познакомился еще в студенческие времена. Год спустя в семье случилось пополнение — у супругов родилась единственная дочь Меритт. Летом 2010 года он временно оставил государственную службу из-за болезни супруги. Позже выяснилось, что Штайнмайер пожертвовал ей свою почку.